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

  • 河南淅川:千年古刹藏山林

  • 第二十九届成都国际汽车展开幕

独家策划

推荐阅读
2013年,东正光学的创始团队在广东深圳租下第一间厂房。4年后,当工业光学与电影影像的积累具备向更广泛创作者群体转化的条件时,东正光学重返消费市场,推出Thypoch(叙)品牌。
2026-08-21 07:20
7月17日,习近平主席在2026世界人工智能大会暨人工智能全球治理高级别会议开幕式上发表题为《携手构建公正合理的全球人工智能治理体系》的主旨讲话。
2026-08-21 02:00
近期,因冬季寒区试车而闻名的边疆小城——黑龙江黑河迎来了反季节试车热潮。在试运行的全球规模最大四季低温汽车试验场内,零下30摄氏度的室内一片冰天雪地,来自多个车企与零部件厂商的测试车辆正自如驰骋,借助静态低温舱、冰雪圆环、多角度对开坡道等专业场景展开性能测试。
2026-08-21 03:40
最新统计数据显示,截至2026年7月底,江苏省光伏发电累计装机容量突破1亿千瓦,占全省电力总装机的比重超38%,成为全省第一大电源。图为8月19日,在扬州市邗江区公道镇,电力运维工人在检查渔光互补发电设备运行情况。
2026-08-21 03:40
近期,南华大学核科学技术学院韦悦周教授团队从稀土矿渣中直接分离得到高纯度的阿尔法核素铅-212及其前体核素钍-228,并成功实现了单批次从公斤级稀土矿渣中分离提取158微居里的铅-212/铋-212。
2026-08-21 03:50
近日,中国科学院海洋研究所联合美国加州大学圣巴巴拉分校等机构,在南极冰盖近期质量变化的气候驱动机制研究方面取得重要进展。研究发现,2021—2023年热带暖池持续增暖激发向南极传播的罗斯贝波列,形成东南极南北向偶极环流,重组水汽输送并增强区域降雪,从而暂时减缓了南极冰盖质量损失。
2026-08-21 03:50
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,我国正从全球科技参与者、贡献者向开拓者、引领者加速转变,成为创新力上升最快的国家之一。
2026-08-20 02:10
中国信息通信研究院18日发布的《具身智能训练场研究报告(2026年)》显示,随着各部门密集部署人形机器人中试基地和训练场建设,我国具身智能训练场已经成为关键基础设施,形成规模化集群化布局。
2026-08-20 02:10
19日,朱雀三号遥二运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空。火箭一子级按预定程序成功软着陆于甘肃省民勤县朱雀三号着陆场坪,二子级将搭载的鸿鹄03星顺利送入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功,为后续开展回收箭体检修维护、复用飞行和商业化应用奠定基础。本次任务是继7月10日长征十号乙运载火箭一子级海上网系成功回收后,我国首次成功实施重复使用运载火箭一子级着陆腿方式陆地可控回收,标志着我国重复使用火箭技术取得重大突破。
2026-08-20 04:00
19日从中国科学技术协会了解到,为大力弘扬科学精神,营造风清气正的学术生态,加快建设世界一流科技期刊,中国科技期刊卓越行动计划(以下简称“卓越计划”)入选期刊及集群共同倡议“恪守科研诚信和学术道德”。
2026-08-20 04:00
近几个月来,北京大模型捷报频传:Kimi K3发布当前最大开源模型,综合智能水平直逼国际两大尖端闭源模型;小米MiMo-V2.5在通用图形处理器上实现推理速度大幅突破,并登顶全球多模型聚合平台公布的大模型调用量榜首;字节跳动发布新一代视频生成模型Seedance 2.5,在生成时长、多模态理解、编辑精度等维度实现全面升级。
2026-08-20 04:00
“或为近150年最强”“或为自1951年以来最强气候事件”……最近,关于2026年形成超强厄尔尼诺的新闻很受关注。预计赤道中东太平洋海表温度将继续维持波动上升态势,于今年11月至12月前后达到本次事件峰值。
2026-08-19 09:51
宁夏平原,黄河水沿着叶脉般的渠道淌进田间。”  青铜峡灌区是全国6个特大型灌区之一,是世界灌溉工程遗产宁夏引黄古灌区的重要组成部分。”  完成全域一体的信息化建设,这是青铜峡灌区从“治水”走向“智水”的关键一步。
2026-08-19 09:46
直面现实困境,1989年青海省委作出“绿化南北两山,改善西宁生态环境”的战略决策,西宁市积极响应。18年间,他在山上劳动超3000天,带领群众栽种树木近3000万株,让3.75万亩荒山披绿,筑起守护西宁的生态屏障。
2026-08-19 09:45
主刊收到投稿400余篇,已出版60篇,其中包括多个我国科研团队的最新重要原创成果……在日前举行的Vita期刊首期发布暨生命科学开放联盟一周年交流会上,Vita(《生命》)系列期刊正式亮相。
2026-08-19 09:45
也正因如此,当科技触及意识,我们需要建立的伦理边界,可能比传统数据隐私更为严格。科技工作者的责任是将伦理融入研发全过程,他们是伦理风险的第一道防线。在研发科技产品时,科技工作者要充分考虑其伦理风险,在应用产品时,要严格遵守伦理规范与法律规定,尊重他人的意识隐私。
2026-08-19 09:43
5天赛程,51个项目,1301场比赛……日前,记者从北京市政府新闻办公室获悉,第二届世界人形机器人运动会将于8月22日在国家速滑馆“冰丝带”开幕。
2026-08-18 10:14
8月15日,承载着亿万公众对良好生态环境期盼的《中华人民共和国生态环境法典》开始施行,标志着我国生态环境保护迈入“法典化”时代。生态环境法典有哪些亮点和创新?如何做好法典的学习、宣传与实施工作?
2026-08-18 10:11
一系列政策“组合拳”为智能农机从研发到应用构筑了全链条支持体系,为现代农业注入强劲动力。
2026-08-18 10:10
今年上半年,我国新能源和可再生能源发展总体保持平稳态势,可再生能源发电装机达24.55亿千瓦,占全国电力总装机的60.7%,其中风电光伏发电装机(约19.5亿千瓦)占比接近一半,太阳能发电装机与燃煤发电装机基本持平。
2026-08-18 10:06
加载更多