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，光學超材料對高端制造及信息、生物、能源領域至關重要，其如何實現(xiàn)低成本、規(guī)模化量產(chǎn)長期以來廣受關注。

　　全新范式突破長期困境

　　來自中國科學院化學研究所的最新消息說，由中國科學家領銜的國際合作團隊，最新在光學超材料領域取得突破性研究成果，一舉多得實現(xiàn)光學超材料的低成本、規(guī)模化、個性化量產(chǎn)，為多尺度光學超材料研究及微納光子學應用開辟了新路徑。

　　具體而言，他們提出打印多尺度光學超材料的全新范式，實現(xiàn)材料光學特性與結(jié)構(gòu)設計的協(xié)同優(yōu)化；研發(fā)出卷對卷增材納米打印制造設備，突破光學超材料在低成本、規(guī)模化、個性化量產(chǎn)難以兼顧的長期困境，實現(xiàn)多尺度光學超材料的大規(guī)?？煽刂苽渑c精準集成，讓光學超材料生產(chǎn)“像印報紙一樣簡單”。

　　這項光學超材料領域集基礎研究和產(chǎn)業(yè)應用于一體的重要進展，由中國科學院化學研究所宋延林研究員、李會增副研究員、李凱旋博士聯(lián)合新加坡國立大學仇成偉教授、陳劍鋒博士共同完成，相關成果論文北京時間4月22日夜間在國際學術(shù)期刊《自然》(Nature)上線發(fā)表。

　　人類真正精確“設計光”

　　研究團隊介紹，光學超材料源于人類突破自然材料極限、實現(xiàn)對光精準駕馭的科學理想，它并非只利用材料本身的光學性質(zhì)，而是人類真正意義上自主精確“設計光”，直接推動光學從“被動利用”走向“主動操控”。

　　人類對光的理解和操控能力是科技進步的重要標尺。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世紀初，愛因斯坦提出光的波粒二象性理論，對光認知的深化，奠定了現(xiàn)代光學的基礎。時至今日，科學家已不再滿足于“利用自然材料調(diào)控光”，而是希望通過人工從頭設計的幾何結(jié)構(gòu)來獲得天然材料不具備的超常光學性質(zhì)。

　　這就是光學超材料，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、偏振等特性進行精準調(diào)控，從而實現(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現(xiàn)的光學功能。

　　目前，光學超材料正在成像、計算、通信和能源等多個領域推動著技術(shù)變革，但其研究與應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，難以實現(xiàn)大規(guī)模、低成本制造，嚴重制約了實用化進程。

　　實現(xiàn)跨多尺度精準制造

　　針對上述技術(shù)瓶頸，研究團隊首先從結(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)同光子晶格與光學界面的耦合作用，對多尺度下的光學傳輸行為進行精準調(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?，團隊研發(fā)了高通量按需打印與卷對卷連續(xù)制造工藝，就像報紙印刷一樣，將柔性基材從一個滾筒連續(xù)輸送到另一個滾筒，連續(xù)完成納米級精度打印成型，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超材料，實現(xiàn)跨越多個尺度的精準制造。

　　該研究在多尺度光學超材料體系中，實現(xiàn)了幾何光學與波動光學的有機統(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，研究系統(tǒng)揭示了多尺度光學超材料的光場調(diào)控規(guī)律，闡明了微納結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀光學性能之間的內(nèi)在構(gòu)效關系：通過精準調(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，進而實現(xiàn)對體色散與界面色散的獨立調(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、智能傳感等領域的應用拓展了空間。

　　研發(fā)新一代光傳感芯片

　　對于最新發(fā)表的這項研究成果，《自然》審稿人評價說，研究團隊開發(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，這項成果體現(xiàn)了材料科學、微納光學與先進制造的深度交叉融合。團隊開發(fā)的卷對卷增材納米打印技術(shù)，讓光學超材料的生產(chǎn)變得像印報紙、書刊一樣簡單高效，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，為每一個超材料像素單元定制專屬的光學性質(zhì)，從而為定制化微納光學研究開辟全新思路。

　　未來，研究團隊將繼續(xù)以“微納融合，印刷制造”為核心理念，圍繞這項技術(shù)研發(fā)新一代高靈敏光學傳感芯片，持續(xù)挖掘材料本征特性與人工結(jié)構(gòu)設計協(xié)同優(yōu)化的潛力。

　　“相信這項技術(shù)在光子信息、防偽成像、精密醫(yī)學傳感、綠色光子能源等關鍵領域，都將展現(xiàn)巨大的應用空間與產(chǎn)業(yè)化價值?！彼窝恿终f。(完)