传统的显色技术通常是利用色素来显色，然而色素具有化学性质不稳定、对环境不友好、容易褪色等缺点，导致其应用受到了诸多限制。相比于色素色，结构色是基于物质的周期性微纳结构（例如光栅、光子晶体等）对光的调控实现的，具有化学性质稳定、环保、高分辨率等优点，在显示、传感和防伪等方面具有广泛的应用前景。特别是存在于自然界生物体中的复合周期性微纳结构，可以产生卓越的光学效果，如混合色、偏振、超白、超黑、动态结构色等，为制备新型的光学材料提供了丰富的灵感。因此，研究自然界生物体的微纳米结构并结合人工设计制备结构色材料具有重要意义。
近年来，在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，化学研究所绿色印刷实验室宋延林研究员和李明珠研究员对仿生结构色材料开展了系统研究，并取得了系列研究进展。
在动态结构色方面，他们受蜂鸟羽毛独特的色彩调控机制的启发，将剪纸结构的高精度可控形变与光子晶体结构色的角度依赖性相结合，首次报道了一种快速、精确、可重复调控色彩的光子晶体剪纸薄膜材料。该剪纸薄膜材料在外部加载下，可以准确地控制矩形鳞片的弹出角度，并且实现全光谱色彩的精确控制，同时可实现10000次以上的疲劳寿命，为动态结构色显示、传感、伪装等研究提供了崭新的平台。此外，研究人员从理论上研究了激光切割、剪纸图案设计以及薄膜基材的组成对剪纸结构由二维到三维变化的影响，揭示了光子晶体剪纸薄膜发生面外高精度可控变形的机理。最后，研究人员还利用厚度对翘起角度的控制关系实现了薄膜图案化的可编程显示。该材料在体育行业、医疗器械、可穿戴服装和低能耗彩色显示器等领域具有重要的应用前景，并为反射式显示技术和产品的开发与应用开辟了新的途径。相关研究成果以封面论文形式发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上（DOI: 10.1002/anie.202103045），并被选为热点文章。通讯作者是李明珠研究员，第一作者是博士生赖欣涛。
图1 光子晶体剪纸薄膜的制备及其显示过程
他们还受自然界中蝴蝶翅膀偏振色彩调控机制的启发，提出了一种利用自组装和纳米压印技术制备的具有准三维光子结构的偏振敏感光子晶体复合薄膜。常规的二维光子晶体结构产生了强角度依赖性的结构色彩，而微浅坑结构则提供了传统双层光子晶体薄膜无法实现的偏振结构色。该方法将偏振效应和结构色彩集成到了光子晶体复合薄膜中，可用于多维视角和偏振控制的信息加密和防伪。研究人员从理论和实验上研究了光子晶体复合薄膜的光学特性，证明了该复合结构薄膜具有多种光学效应，包括散射、衍射和偏振。光子晶体复合薄膜的这些特性使得利用不同的光学参量（散射、衍射和偏振）实现多通道图像切换成为可能。由于该方法对入射光的光学参数具有极大的控制自由度，为大容量、高安全性的三维光学信息加密和防伪开辟了新的途径。此外，双层光子晶体复合薄膜（单层密堆积的聚苯二烯微球和周期性阵列微浅坑结构）之间的随机排列可以作为唯一的指纹。因此，光子晶体复合薄膜还提供了一种几乎不可能复制的全彩色、3D加密和精细纳米结构的新识别方法。该研究成果近日发表在Advanced Materials 期刊上（DOI: 10.1002/adma.202107243）。通讯作者是李明珠研究员，第一作者是博士生赖欣涛。
图2 PCCF的设计流程与加密成像基本原理