光学超材料能打印出来？中国科学家领衔实现“像印报纸一样简单”
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《麻豆官方网站入口免费二区》 光学超材料能打印出来？中国科学家领衔实现“像印报纸一样简单”
中新网北京4月22日电 (记者 孙自法)作为下一代光电子、通信、成像的核心底层材料，光学超材料对高端制造及信息、生物、能源领域至关重要，其如何实现低成本、规模化量产长期以来广受关注。
全新范式突破长期困境
来自中国科学院化学研究所的最新消息说，由中国科学家领衔的国际合作团队，最新在光学超材料领域取得突破性研究成果，一举多得实现光学超材料的低成本、规模化、个性化量产，为多尺度光学超材料研究及微纳光子学应用开辟了新路径。
具体而言，他们提出打印多尺度光学超材料的全新范式，实现材料光学特性与结构设计的协同优化；研发出卷对卷增材纳米打印制造设备，突破光学超材料在低成本、规模化、个性化量产难以兼顾的长期困境，实现多尺度光学超材料的大规模可控制备与精准集成，让光学超材料生产“像印报纸一样简单”。
本项研究的跨尺度光学集成打印。中国科学院化学研究所 供图。
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这项光学超材料领域集基础研究和产业应用于一体的重要进展，由中国科学院化学研究所宋延林研究员、李会增副研究员、李凯旋博士联合新加坡国立大学仇成伟教授、陈剑锋博士共同完成，相关成果论文北京时间4月22日夜间在国际学术期刊《自然》(Nature)上线发表。
人类真正精确“设计光”
研究团队介绍，光学超材料源于人类突破自然材料极限、实现对光精准驾驭的科学理想，它并非只利用材料本身的光学性质，而是人类真正意义上自主精确“设计光”，直接推动光学从“被动利用”走向“主动操控”。
人类对光的理解和操控能力是科技进步的重要标尺。300多年前，牛顿利用三棱镜将白光分解为七彩光带，揭示了光的色散现象；20世纪初，爱因斯坦提出光的波粒二象性理论，对光认知的深化，奠定了现代光学的基础。时至今日，科学家已不再满足于“利用自然材料调控光”，而是希望通过人工从头设计的几何结构来获得天然材料不具备的超常光学性质。
这就是光学超材料，像一块精心编织的“光子织物”，通过调控结构单元的几何参数与空间排布，它能突破传统材料的物理极限，对光的透射、反射、散射、衍射等传播行为以及相位、偏振等特性进行精准调控，从而实现光的偏转、隐身、聚焦、全息成像等一系列天然材料无法实现的光学功能。
目前，光学超材料正在成像、计算、通信和能源等多个领域推动着技术变革，但其研究与应用仍面临两大制约瓶颈：一是研究普遍局限于单一尺度结构，导致材料功能受限、性能调控维度不足；二是制备高度依赖光刻等精密加工技术，效率低、成本高、制备周期长，难以实现大规模、低成本制造，严重制约了实用化进程。
实现跨多尺度精准制造
针对上述技术瓶颈，研究团队首先从结构着手，创制出一种由周期性纳米晶格构成的微米尺度半球形结构，该结构通过协同光子晶格与光学界面的耦合作用，对多尺度下的光学传输行为进行精准调控，使得单元结构呈现丰富的色彩变幻，犹如万花筒般一转千色。
在规模化制备方面，团队研发了高通量按需打印与卷对卷连续制造工艺，就像报纸印刷一样，将柔性基材从一个滚筒连续输送到另一个滚筒，连续完成纳米级精度打印成型，这一技术可将低成本聚合物纳米材料快速制备为单像素性能定制的光学超材料，实现跨越多个尺度的精准制造。
本项研究的多尺度超材料设计架构及制备策略。中国科学院化学研究所 供图。
该研究在多尺度光学超材料体系中，实现了几何光学与波动光学的有机统一，为解析跨尺度光传输行为提供了统一的物理视角。
同时，研究系统揭示了多尺度光学超材料的光场调控规律，阐明了微纳结构参数与宏观光学性能之间的内在构效关系：通过精准调控光子晶格常数与超组装体特征尺寸，可精确控制超材料的光子带隙结构与光传播路程差，进而实现对体色散与界面色散的独立调制；采用集成打印技术，可将具有不同晶格常数、不同特征尺寸的超组装体高精度图案化，赋予超组装体系从微观到宏观的跨尺度光学集成能力。
此外，该超材料还具备优异的本征柔性与环境稳定性，为其在柔性可穿戴光学、智能传感等领域的应用拓展了空间。
研发新一代光传感芯片
对于最新发表的这项研究成果，《自然》审稿人评价说，研究团队开发的可打印超组装策略新颖而且有吸引力。
宋延林研究员表示，这项成果体现了材料科学、微纳光学与先进制造的深度交叉融合。团队开发的卷对卷增材纳米打印技术，让光学超材料的生产变得像印报纸、书刊一样简单高效，不仅彻底打破高成本的技术壁垒、大幅提升量产效率，还能通过按需打印，为每一个超材料像素单元定制专属的光学性质，从而为定制化微纳光学研究开辟全新思路。
未来，研究团队将继续以“微纳融合，印刷制造”为核心理念，围绕这项技术研发新一代高灵敏光学传感芯片，持续挖掘材料本征特性与人工结构设计协同优化的潜力。
“相信这项技术在光子信息、防伪成像、精密医学传感、绿色光子能源等关键领域，都将展现巨大的应用空间与产业化价值。”宋延林说。(完)
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