点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:像印报纸一样简单!我国科学家开创光学超材料规模化制备新范式
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

像印报纸一样简单!我国科学家开创光学超材料规模化制备新范式

来源:光明网2026-04-23 09:39

  【科研论文科普解读】

  光学超材料是人类第一次真正意义上“设计光”,而不是只利用材料本身的光学性质,直接推动光学从“被动利用”走向“主动操控”,是下一代光电子、通信、成像的核心底层技术,尤其对高端制造及能源领域至关重要。

  4月22日,记者从中国科学院化学研究所获悉,该所宋延林研究员、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,在国际学术期刊《自然》(Nature)上发表光学超材料突破性研究成果。研究团队提出了打印多尺度光学超材料的全新范式,实现了材料光学特性与结构设计的协同优化;自主研发出的卷对卷增材纳米打印制造设备,首次突破了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,实现了多尺度光学超材料的大规模可控制备与精准集成,让超材料生产“像印报纸一样简单”,为多尺度超材料研究及微纳光子学应用开辟了新路径。

  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。人类对光的理解和操控能力是科技进步的重要标尺。三百多年前,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;二十世纪初,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,推动着科技与文明的不断发展。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。

  光学超材料就像一块精心编织的“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。

  当前,这种材料正在成像、计算、通信和能源等多个领域推动着技术变革,然而,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。

  针对以上技术瓶颈,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(图1),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。

像印报纸一样简单!我国科学家开创光学超材料规模化制备新范式

  图1-多尺度超材料设计架构及制备策略

像印报纸一样简单!我国科学家开创光学超材料规模化制备新范式

  图2-跨尺度光学集成打印

  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(图2)。

  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。《自然》审稿人对此评价道:这篇稿件的结果太有意思了,所开发的可打印超组装策略新颖而且有吸引力。

  宋延林表示:“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,不仅彻底打破了高成本的技术壁垒,大幅提升了量产效率,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了全新思路。未来,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。”(光明网记者 宋雅娟)

[ 责编:田新宇 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 全国多地开展国家网络安全宣传活动

  • 永丰村迎秋粮收获

独家策划

推荐阅读
今年入夏以来,西北太平洋与南海海域的台风仿佛开启了“流水线”模式,接连生成、登陆,引发社会广泛关注。
2026-09-15 09:35
气候变化可能进一步改变全球极端降雨、洪水和季风过程,短期水文事件对陆地塑料向河流和海洋输送的影响也可能随之变化。厘清这种“脉冲式”污染输送机制,有助于提高全球海洋塑料污染预测的准确性,并为更具针对性的塑料污染治理提供科学依据。
2026-09-15 09:27
错坚河冰崩发生点和下游传输侵蚀通道。研究指出,气候变暖背景下,喜马拉雅山地区的冰冻圈灾害正呈现频次增加与链式放大的复合态势。研究指出,此次冰崩与气候变暖影响下冰裂隙扩张、从冰面向冰内和冰床排水加剧直接相关。
2026-09-15 09:26
记者从国家药监局了解到,我国第三个脑机接口医疗器械标准于14日被批准发布。据悉,为了支持我国脑机接口医疗器械重大创新、满足产业发展急需,国家药监局采用快速程序立项和批准。
2026-09-15 09:23
工科学习与研究强调实践牵引、逻辑思维和科学方法,解决问题更是落脚点——学生可以借助AI,但不能被AI替代。工科学习,不仅是吸收知识的过程,更是应用理论、方法和工具提升学生解决工程实践问题的能力的过程。
2026-09-15 09:25
拍卖会是全国优质种公牛资源展示的舞台。与华西牛同台竞争的,不乏安格斯、西门塔尔等国内外优质牛,可近4届“标王”无一例外都花落华西牛。
2026-09-14 09:26
甲烷的“存在感”远不及二氧化碳,但增温效应不容小觑。有研究认为湖泊贡献了全球自然甲烷排放的75%,也有测算认为占比不足两成。但实际排放多少、国际模型是否适用于我国,长期缺乏本土实测验证。
2026-09-14 09:25
位于今青海省海西州格尔木市南部的布尔汗布达山山体,是当代地质学界、地理学界公认的东昆仑主干,也是青藏公路、青藏铁路的关键地标——昆仑山口所在地。
2026-09-14 09:14
近日,记者从吉林大学获悉,该校生物考古实验室在全球首次完成已灭绝古生物奥氏马的完整形态复原。
2026-09-14 09:15
2026年国家网络安全宣传周期间,光明网联合科普中国推出AI科技伦理系列科普视频,引导公众理性认知技术逻辑,秉持算法向善理念,共建网络安全生态。
2026-09-14 09:15
实现人的自由全面发展,是人工智能伦理治理的逻辑起点与价值原点。
2026-09-11 08:42
2019年,一场生态修复让一个古人类遗址——云南蝙蝠洞遗址浮出水面。之后,多支科研团队开展跨学科综合研究,让丹尼索瓦人在中国西南腹地缺失的关键地理拼图得以补充。
2026-09-11 08:51
在位于内蒙古自治区呼和浩特市和林格尔新区的人才创新谷,工作人员操作和林格尔数据中心集群多云算力资源监测与调度平台,实时监测、动态调度算力资源。
2026-09-11 09:10
人类全基因组约30亿个碱基对中,仅1%—2%编码蛋白质,其余包含不编码的“垃圾DNA”及控制基因表达时间、位置和强度的调控序列。
2026-09-11 09:07
8月也是非极地海域有记录以来最温暖的一个月。海表温度峰值达21.1℃,是有观测以来最高的海表温度。
2026-09-11 08:51
一般来说,人力资源社会保障部每年会征集一批新职业信息,对征集到的新职业建议,按照相关工作要求和程序进行筛选确定。”谷俊明说,兼具古法制香功底、香文化讲解与体验教学能力的复合型香艺人才不断成长,将推动古老香文化焕发生机。
2026-09-10 09:52
当今地球正处于冰室气候背景下,大气二氧化碳(CO2)浓度不断上升,全球气候变暖加剧。这意味着初始火山升温之后,天文轨道的胁迫作用增加了高纬度太阳辐射,进而加速了冰盖的融化和冻土层的解冻。
2026-09-10 09:47
灶台、吊柜、换鞋凳、智能床、坐式淋浴器……这个展区被布置成一个家一般的样板间。护理床边,一台人形照护机器人伸出机械臂,托起人体模型的腿,模拟辅助卧床老人活动肢体。
2026-09-10 09:39
实验结果显示,嫦娥五号月壤中不同矿物的弹性模量分布范围较广,不同矿物间的弹性模量差异显著,呈橄榄石>辉石>钛铁矿>尖晶石>斜长石的次序,其中斜长石的弹性模量明显偏低。进一步分析发现,无论矿物来自地球、月球还是陨石,不同来源的矿物在微观变形过程中的响应机制可能遵循某种共性的内在规律,相关机理仍有待进一步深入研究。
2026-09-10 09:35
再过10多天就是农历秋分,第九个中国农民丰收节也将如约而至。联欢活动庆丰收板块,将举办城乡群众庆祝丰收的联欢活动,打造农民唱主角、百姓共联欢的丰收文艺盛宴,呈现荆楚农民唱响赞歌、分享喜悦的丰收景象。
2026-09-10 09:30
加载更多