央廣網北京4月22日消息（總臺中國之聲記者朱敏）據中央廣播電視總臺中國之聲報道，什么是光學超材料？我們知道，光在一定條件下可以變化出不同的色彩，那么，這些不同顏色的光能不能被人類利用到生產生活中呢？光學超材料就是人類第一次真正意義上精確“設計光”，它通過人工從頭設計的幾何結構來獲得天然材料不具備的超常光學性質。這類材料是下一代光電子、通信、成像的核心底層技術，尤其對高端制造及能源領域至關重要。

然而，光學超材料的生產技術門檻很高，也成為制約其規模化量產的主要障礙。北京時間4月22日晚，國際學術期刊《自然》發表了光學超材料突破性研究成果。中國科學院化學研究所與新加坡國立大學合作的科研團隊，自主研發出的卷對卷增材納米打印制造設備，實現了多尺度光學超材料的大規模可控制備與精準集成，讓超材料生產“像印報紙一樣簡單”。這是一項怎樣的技術？它將如何改變超材料的生產和應用？

增材納米打印制造設備動畫示意（中國科學院化學研究所 提供）

如果你也曾被自然界蝴蝶翅膀的綺麗所驚艷，是否好奇過它為何能綻放出這般絢爛的色彩？蝴蝶鱗片，正是大自然所孕育的一種經典光學超材料。光學超材料就像一塊精心編織的“光子織物”，通過調控結構單元的幾何參數與空間排布，它能突破傳統材料的物理極限，實現天然材料無法實現的光學功能。這種材料正在成像、計算、通信和能源等多個領域推動著技術變革。然而，中國科學院化學研究所研究員宋延林介紹，這類材料的研究與應用面臨局限于單一尺度結構、高度依賴光刻等精密加工技術的制約，難以實現大規模、低成本制造，嚴重制約了實用化進程。

宋延林：如果我們只能做出單一尺度的微納結構，它可能呈現的就是單一的性質，從顏色來講，它可能就呈現單一的顏色，但是我們希望做到集成，各個波段的光我都能夠精確地控制。但是這樣對傳統的比如說光刻或者其他的微加工的技術就是一個非常大的挑戰。因為每一個光刻機它都有一個自己適合的尺寸范圍。

20年前，宋延林便投入這個領域，他一直思考：有什么辦法能讓光在材料上精準體現？經過多年的努力，團隊漸漸撥開迷霧。近年來，團隊與新加坡國立大學合作，創制出一種由周期性納米晶格構成的微米尺度半球形結構，該結構對多尺度下的光學傳輸行為進行精準調控，突破了傳統方法和理論的限制。新加坡國立大學博士陳劍鋒表示，這種單元結構可以呈現豐富的多尺度光學特性和色彩變幻行為，猶如萬花筒般一轉千色。

陳劍鋒：在光學領域，幾何光學理論和波動理論的界限在哪里，其實是很模糊的。而我們現在這個工作正好是同時利用了幾何光學的光學理論的性質，再加上波動光學的性質，所以它正好處在這兩個效應很模糊的一個點。我們通過模型的構建，最后基本上摸清了這個界限。摸清了這個界限之后，我們可以從納米尺寸的結構出發，能夠模擬微米甚至毫米這樣的一個光學性質。

△多尺度超材料設計架構及制備策略（中國科學院化學研究所 供圖）

結合理論，團隊開始驗證其能否真正投入應用。宋延林集結一群青年科研人員，當起了光學超材料的“打印工”。這群“眼里有光”的年輕人面對前人做不成的挑戰，渾身充滿干勁。中國科學院化學研究所副研究員李會增就是其中一位。

李會增：高精度的微納加工方法，他們可能有這方面能力，但是他們有一個非常大的局限性，就是做不大。所以后來，我們都在探索這個如何把它做大，做到真正實用化。

他的師弟、中國科學院化學研究所博士李凱旋，同樣腦力活體力活齊上陣，搬來各種大塊頭的材料做打印襯底。最終，他們搭建了一個3.7米長的卷對卷連續打印設備。

李凱旋：我們在盲文制備的時候有一個就是工業化的這種設備，但是盲文它尺度是比較大的，我們最大的問題是怎么就是從這種大的尺度縮小到小尺度，還能夠做這么大，這么準確精準，這個是非常大的一個挑戰。

持續的技術調整后，打印出的圖案逐漸從模糊到清晰，凌亂的墨滴幻化為精美的圖案。當看到光學超材料在設備上成卷成米打印出預設的照片，宋延林為自己的團隊感到驕傲。

宋延林：對搞科研的人可能最讓他興奮的就是這件事兒很難，然后我把它做出來，這種成就感其實也不用跟別人講，你就知道很有意義。

傳統打印所用顏料污染較重，而宋延林團隊在打印光學超材料時使用了自己合成的水相分散的高分子材料墨水，最后形成調控光的復合微米和納米結構。

宋延林：我們是一種高分子的乳液，通過一個聚合的方式能夠形成一個水相的墨水。這里邊是把微米結構和納米結構進行復合，微米結構就是我們形成不同的穹頂，在這個穹頂下面，我們又填了很多的納米顆粒，它不同的尺寸有不同的光學行為對應出來，最后組裝。水蒸發掉以后，就會精準地組裝成光子晶體，這樣的話就可以調控特定頻率的光的一個傳輸，呈現出我們想要的各種顏色。

△跨尺度光學集成打印（中國科學院化學研究所 供圖）

宋延林表示，團隊開發的卷到卷增材納米打印技術，可望讓光學超材料的生產變得像印報紙、書刊一樣簡單高效。

宋延林：不僅打破了原來高成本的技術壁壘，大幅提升了量產效率。還能通過按需打印為每一個超材料像素單元定制特定的光學性質，這樣就為定制微納光學研究開辟了一個全新的思路。

未來，團隊將圍繞這項技術研發新一代高靈敏光學傳感芯片，持續挖掘材料本征特性與人工結構設計協同優化的潛力。他們相信，這項技術在光子信息、防偽成像、精密醫學傳感、綠色光子能源等關鍵領域，都將展現巨大的應用空間與產業化價值。

宋延林：光學超材料的特征就是把原來看不到的東西讓我們能夠看得見。我們很多的疾病都是跟一些生物標志物有關的，比如說病毒。病毒的尺寸是在100納米左右，原來我們都是看不見的。但是通過這樣一個打印的超材料作為一個芯片，我們就可以讓各種病毒無處隱身，很方便地看到它，而且這個靈敏度非常高又非常方便，這樣對將來的生物疾病的檢測就是一種非常高效方便的手段。