一、研究背景

1. 结构色的重要性

结构色由微/纳米结构光学反射产生，具备虹彩、耐褪色、自适应变色特性，是仿生器件、显示、传感、热管理的核心材料基础。

2. 现有制造瓶颈

• 传统打印难以实现厘米级复杂3D结构，光学保真度低
• HPC（植物基）易因剪切、脱水失去结构色，仅能制备薄膜
• 空气/传统水相打印会导致HPC溶解、胆甾相破坏

3. 研究目标

开发绿色、可放大、自由形态的制造方法，实现分米级、高保真、复杂3D植物基结构色器件。

二、核心研究内容

1. 稳定双水相体系（ATPS）设计

以胆甾相HPC + 0.7 M柠檬酸钠构建不相容双水相，低界面张力、抑制水分迁移，3天内反射峰漂移＜3%，热循环后可完全恢复颜色。

图1 HPC光子系统液液制造示意图：(a)HPC胆甾相结构；(b)传统加工失色机制；(c)ATPS形成；(d)ATPS保护结构色；(e)稳定ATPS实物图

图2 ATPS体系稳定性：(a)3天反射峰稳定性；(b-c)盐浓度不当导致红/蓝移；(d)水活度匹配；(e)热稳定性；(f)多盐体系适配；(g-h)结构色纤维制备

2. ATPS嵌入式3D打印（核心创新）

采用SC-XG食品级支撑浴，利用直写式（DIW）3D打印机实现HPC嵌入式打印，挤出后在浴中恢复胆甾相与结构色，可制备＞10 cm结构，分辨率~50 μm。

图3 ATPS嵌入式3D打印：(a-b)传统支撑浴导致溶解失色；(c)ATPS打印优势；(d)流变性能；(e-h)结构恢复与色彩保真；(i)对比空气打印；(j)分米级心形结构

图4 自由形态植物基光子结构：(a)热调控单色多色；(b)~50 μm超细纤维；(c)RGB三色悬浮结构；(d)链甲、孔雀羽、悬浮桌；(e)多色链甲

3. 力致变色水凝胶（MechanoHPC）

将HPC打印至可交联水凝胶基体，拉伸/压缩时红→蓝连续变色，可通过浓度、厚度、UV时间编程多色，结合DLP实现高精度图案。

图5 MechanoHPC水凝胶：(a)制备流程；(b)3D金字塔结构；(c)拉伸变色；(d)PDMS涂层长效保色；(e)多色调控因素；(f-h)图案化变色；(i-k)DLP高精度复杂图案

4. 非平面气动驱动器应用

结合牺牲墨水打印气动通道，实现信息加密、仿生伪装、章鱼交互、动态像素显示等非平面力致变色器件。

图6 非平面驱动器：(a)信息加密；(b)圆柱伪装；(c-d)章鱼触觉交互；(e-g)气压驱动动态显示

三、研究结论

1. 首次将ATPS双水相用于结构色自由制造，彻底解决HPC加工失色难题
2. 实现植物基、分米级、复杂3D结构色打印，分辨率~50 μm，色彩均匀
3. 开发可拉伸、多色可编程、非平面力致变色驱动器，应用于伪装、加密、人机交互
4. 全程食品级、绿色、低成本、可工业放大，推动可持续光子器件发展

四、论文基础信息