超材料再登Nature：多尺度结构如何塑造复杂结构色
可打印超材料为大面积制造打开新路径
光学超材料通过人工设计的微纳结构调控光的传播行为，可实现天然材料难以具备的结构色、偏振调控、相位调制等光学功能。然而，以往相关研究仍面临两个突出限制：一方面，许多光学超材料主要依赖单一尺度结构，光学响应维度有限，难以同时实现多种光学效应的协同调控；另一方面，制备过程通常依赖光刻等精密加工技术，成本高、效率低、周期长，难以兼顾大面积制造、低成本生产与个性化定制。这些问题在一定程度上限制了光学超材料从实验室研究走向实际应用。
针对上述瓶颈，中国科学院化学研究所宋延林研究员课题组、新加坡国立大学仇成伟教授课题组等提出了一种可打印的多尺度光学超材料设计与制造范式，并以 “Printable meta-assemblies enable synergetic colouration” 为题发表于 Nature。该工作通过卷对卷增材纳米打印技术，实现了多尺度光学超材料的低成本、大面积、高精度制备。
多尺度协同塑造复杂结构色
该类光学超材料并不是依靠传统颜料或染料显色，而是通过人工设计的微纳结构调控光的传播行为，从而产生结构色。研究团队构筑了一种由周期性纳米晶格组成的微米尺度超组装结构，并将其嵌入柔性 PDMS 基材中。
在纳米尺度上，周期性纳米颗粒能够产生光子带隙效应，实现特定波长的选择性反射，形成中心显色；在微米尺度上，凹形光学界面会改变光的传播路径，使光在结构边缘发生多次反射与干涉，形成边缘显色。中心色与边缘色相互协同，最终赋予材料丰富、可调的结构色表现。
图1，超组装光学超材料的结构色产生机理
卷对卷增材纳米打印实现大面积制备
除结构设计本身外，该研究的另一大创新点在于提出了适用于多尺度光学超材料的卷对卷增材纳米打印加工方法。研究团队将数字图案转化为可打印的空间排布，通过按需喷墨打印将聚苯乙烯纳米颗粒墨水沉积在疏水、低粘附基底上，使其自组装形成穹顶型胶体光子晶体；随后在其表面涂覆 PDMS 预聚物并固化，使纳米晶格结构嵌入柔性基材中；最后通过剥离和辊压转印，使原本的穹顶形貌转变为凹形光学界面。
该工艺将喷墨打印、自组装、嵌入式转移和卷对卷加工结合起来，在保持结构可设计性的同时，显著提升了制备效率和面积扩展能力，为光学超材料从实验室样品走向规模化制造提供了新的路径。
图2，卷对卷微纳加工方法及不同尺度下结构展示
ARMS如何看清结构色背后的角度依赖机制
在这项研究中，角分辨光谱表征是理解其光学机制的重要手段。对于多尺度超材料而言，颜色并不是一个简单的静态结果，而是与入射角、出射角、波长以及偏振状态密切相关。只有获得不同角度和波段下的响应信息，才能更完整地理解其结构色形成机制。
本研究使用新葡萄奔驰AMG的显微角分辨光谱系统ARMS，搭配制冷型高灵敏光谱仪NOVA，对光学超材料的角分辨光谱结果进行表征。通过测量超构组装体的微区角分辨反射光谱，获取不同波长、不同接收角度下的反射强度与光谱峰位，定量分析光子带隙与全内反射的光谱特征，完整揭示其角度依赖关系及其与结构参数之间的对应关系。
图3,利用角分辨光谱系统ARMS证实了结构色的产生机制
凭借着ARMS系统优异的角度分辨能力和良好的光谱分辨能力，研究人员能够捕捉微纳结构的晶格常数、结构参数的改变对应的结构色光谱移动。另一方面，系统还可结合偏振调控模块，支持不同偏振通道下的角分辨光谱测量，有助于分析全内反射相位延迟、偏振转换以及正交偏振复用成像等现象。这对于理解多尺度结构中的光场传播路径、界面反射和偏振演化过程具有重要意义。
图4,新葡萄奔驰AMG显微角分辨光谱仪ARMS
从前沿研究到应用落地，先进制造与先进表征缺一不可
这项工作充分展示了先进制造与先进表征之间的协同关系。卷对卷增材纳米打印技术为多尺度光学超材料提供了规模化制备路径，而角分辨光谱设备则为其光学机制解析和性能验证提供了关键支撑。
未来，随着可打印超材料、柔性光子器件、结构色防伪和偏振光学应用的发展，面向角度、偏振、空间和波长等多维信息的角分辨光谱表征手段，有望在复杂微纳结构的研发与产业化过程中发挥更重要的作用。
