中新網(wǎng)北京4月22日電 (記者 孫自法)作為下一代光電子、通信、成像的核心底層材料，光學(xué)超材料對(duì)高端制造及信息、生物、能源領(lǐng)域至關(guān)重要，其如何實(shí)現(xiàn)低成本、規(guī)?；慨a(chǎn)長期以來廣受關(guān)注。

　　全新范式突破長期困境

　　來自中國科學(xué)院化學(xué)研究所的最新消息說，由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的國際合作團(tuán)隊(duì)，最新在光學(xué)超材料領(lǐng)域取得突破性研究成果，一舉多得實(shí)現(xiàn)光學(xué)超材料的低成本、規(guī)?；?、個(gè)性化量產(chǎn)，為多尺度光學(xué)超材料研究及微納光子學(xué)應(yīng)用開辟了新路徑。

　　具體而言，他們提出打印多尺度光學(xué)超材料的全新范式，實(shí)現(xiàn)材料光學(xué)特性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化；研發(fā)出卷對(duì)卷增材納米打印制造設(shè)備，突破光學(xué)超材料在低成本、規(guī)?；?、個(gè)性化量產(chǎn)難以兼顧的長期困境，實(shí)現(xiàn)多尺度光學(xué)超材料的大規(guī)?？煽刂苽渑c精準(zhǔn)集成，讓光學(xué)超材料生產(chǎn)“像印報(bào)紙一樣簡(jiǎn)單”。

　　這項(xiàng)光學(xué)超材料領(lǐng)域集基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用于一體的重要進(jìn)展，由中國科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林研究員、李會(huì)增副研究員、李凱旋博士聯(lián)合新加坡國立大學(xué)仇成偉教授、陳劍鋒博士共同完成，相關(guān)成果論文北京時(shí)間4月22日夜間在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上線發(fā)表。

　　人類真正精確“設(shè)計(jì)光”

　　研究團(tuán)隊(duì)介紹，光學(xué)超材料源于人類突破自然材料極限、實(shí)現(xiàn)對(duì)光精準(zhǔn)駕馭的科學(xué)理想，它并非只利用材料本身的光學(xué)性質(zhì)，而是人類真正意義上自主精確“設(shè)計(jì)光”，直接推動(dòng)光學(xué)從“被動(dòng)利用”走向“主動(dòng)操控”。

　　人類對(duì)光的理解和操控能力是科技進(jìn)步的重要標(biāo)尺。300多年前，牛頓利用三棱鏡將白光分解為七彩光帶，揭示了光的色散現(xiàn)象；20世紀(jì)初，愛因斯坦提出光的波粒二象性理論，對(duì)光認(rèn)知的深化，奠定了現(xiàn)代光學(xué)的基礎(chǔ)。時(shí)至今日，科學(xué)家已不再滿足于“利用自然材料調(diào)控光”，而是希望通過人工從頭設(shè)計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)來獲得天然材料不具備的超常光學(xué)性質(zhì)。

　　這就是光學(xué)超材料，像一塊精心編織的“光子織物”，通過調(diào)控結(jié)構(gòu)單元的幾何參數(shù)與空間排布，它能突破傳統(tǒng)材料的物理極限，對(duì)光的透射、反射、散射、衍射等傳播行為以及相位、偏振等特性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)光的偏轉(zhuǎn)、隱身、聚焦、全息成像等一系列天然材料無法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)功能。

　　目前，光學(xué)超材料正在成像、計(jì)算、通信和能源等多個(gè)領(lǐng)域推動(dòng)著技術(shù)變革，但其研究與應(yīng)用仍面臨兩大制約瓶頸：一是研究普遍局限于單一尺度結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料功能受限、性能調(diào)控維度不足；二是制備高度依賴光刻等精密加工技術(shù)，效率低、成本高、制備周期長，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本制造，嚴(yán)重制約了實(shí)用化進(jìn)程。

　　實(shí)現(xiàn)跨多尺度精準(zhǔn)制造

　　針對(duì)上述技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)首先從結(jié)構(gòu)著手，創(chuàng)制出一種由周期性納米晶格構(gòu)成的微米尺度半球形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過協(xié)同光子晶格與光學(xué)界面的耦合作用，對(duì)多尺度下的光學(xué)傳輸行為進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，使得單元結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)豐富的色彩變幻，猶如萬花筒般一轉(zhuǎn)千色。

　　在規(guī)?；苽浞矫?，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高通量按需打印與卷對(duì)卷連續(xù)制造工藝，就像報(bào)紙印刷一樣，將柔性基材從一個(gè)滾筒連續(xù)輸送到另一個(gè)滾筒，連續(xù)完成納米級(jí)精度打印成型，這一技術(shù)可將低成本聚合物納米材料快速制備為單像素性能定制的光學(xué)超材料，實(shí)現(xiàn)跨越多個(gè)尺度的精準(zhǔn)制造。

　　該研究在多尺度光學(xué)超材料體系中，實(shí)現(xiàn)了幾何光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一，為解析跨尺度光傳輸行為提供了統(tǒng)一的物理視角。

　　同時(shí)，研究系統(tǒng)揭示了多尺度光學(xué)超材料的光場(chǎng)調(diào)控規(guī)律，闡明了微納結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀光學(xué)性能之間的內(nèi)在構(gòu)效關(guān)系：通過精準(zhǔn)調(diào)控光子晶格常數(shù)與超組裝體特征尺寸，可精確控制超材料的光子帶隙結(jié)構(gòu)與光傳播路程差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)體色散與界面色散的獨(dú)立調(diào)制；采用集成打印技術(shù)，可將具有不同晶格常數(shù)、不同特征尺寸的超組裝體高精度圖案化，賦予超組裝體系從微觀到宏觀的跨尺度光學(xué)集成能力。

　　此外，該超材料還具備優(yōu)異的本征柔性與環(huán)境穩(wěn)定性，為其在柔性可穿戴光學(xué)、智能傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用拓展了空間。

　　研發(fā)新一代光傳感芯片

　　對(duì)于最新發(fā)表的這項(xiàng)研究成果，《自然》審稿人評(píng)價(jià)說，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的可打印超組裝策略新穎而且有吸引力。

　　宋延林研究員表示，這項(xiàng)成果體現(xiàn)了材料科學(xué)、微納光學(xué)與先進(jìn)制造的深度交叉融合。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的卷對(duì)卷增材納米打印技術(shù)，讓光學(xué)超材料的生產(chǎn)變得像印報(bào)紙、書刊一樣簡(jiǎn)單高效，不僅徹底打破高成本的技術(shù)壁壘、大幅提升量產(chǎn)效率，還能通過按需打印，為每一個(gè)超材料像素單元定制專屬的光學(xué)性質(zhì)，從而為定制化微納光學(xué)研究開辟全新思路。

　　未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)以“微納融合，印刷制造”為核心理念，圍繞這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)新一代高靈敏光學(xué)傳感芯片，持續(xù)挖掘材料本征特性與人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)同優(yōu)化的潛力。

　　“相信這項(xiàng)技術(shù)在光子信息、防偽成像、精密醫(yī)學(xué)傳感、綠色光子能源等關(guān)鍵領(lǐng)域，都將展現(xiàn)巨大的應(yīng)用空間與產(chǎn)業(yè)化價(jià)值?！彼窝恿终f。(完)