中科院理化所在新型手性结构色材料研究方面取得新进展

近日，PNAS杂志报道了中科院理化技术研究所李明珠研究员课题组和复旦大学石磊教授课题组在新型手性结构色材料的研究上取得的最新进展。该工作首次发现基于聚合物材料的微半球具有宽带可调和多重偏振态可调的手性结构色，其不对称因子高达1.998。该项研究解决了传统手性结构色材料依赖特殊的成分、精细的纳米结构和单一的偏振调制等问题，在立体显示、生物传感、量子通信和信息安全等领域将得到广泛应用（PNAS, 2025, 122, e2419113122）。

手性结构色材料具有多重光学可调自由度（包括波长、振幅、偏振和相位等），可携带高维信息，是大容量信息存储和加密的理想材料。受自然界生物的启发，研究人员开发了各种具有增强手性活性、动态手性和可调颜色的人工手性结构色材料，如手性分子修饰的光子晶体、螺旋自组装体、手性液晶和手性超材料。然而，这些人工手性结构色材料受限于特殊的成分和精密的纳米结构。同时，这些材料通常展现出单手性，限制了其调控光的多重偏振态的能力。因此，开发简单易制备、具有全偏振操纵能力的手性结构色材料仍然是一个巨大的挑战。

在本研究中，研究人员首次发现了由聚合物材料制备的微半球（称为微半球手性结构色材料）具有偏振依赖的手性光学响应特点，其不对称因子高达1.998。研究人员从理论和实验上证明了微半球的手性光学响应是来源于线偏振光入射时，线偏振光的两个分量（s分量和p分量）之间经过多次全内反射产生了π/2的相位差。微半球的结构色和图案则可以由简便、精确、高效的数字打印方法编程定制。另外，微半球还具有多重的偏振态和宽带可调的手性光学响应。利用微半球反射光偏振态的非均匀空间分布特点，研究人员通过调控入射光的偏振方向，实现了全彩结构色亮度的连续精确调控。同时，由于微半球的色调和亮度对其形态和入射偏振方向非常敏感，因此可以通过设计微半球的排列和入射光的偏振角来编码不同的信息。进一步，研究人员模仿基于虹膜的身份识别系统，提出了将微半球与隐形眼镜集成来实现新型身份认证的策略。研究人员通过设计同心圆弧的数量、形貌、取向、颜色和偏振，成功实现了五重加密功能。当同心圆弧的数量、形貌、取向、颜色和偏振都是4种类型的情况下，即可实现232种编码容量。这些结果表明，将微半球集成到隐形眼镜中，可以为提升个人身份信息安全开辟新的途径，并有可能通过整合不同的光学元件来实现人机交互。

该项工作首次发现并证明了微半球的手性结构色。该微半球作为一种光学编码，具有颜色、偏振、图案等多个自由度，具有扩大存储容量和提高信息安全性的优点，在显示、信息存储、数据安全等方面具有广泛的应用潜力。

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图1. 微半球手性结构色材料的光学特征

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图2. 微半球手性结构色材料与隐形眼镜集成用于身份认证

该工作是中国科学院理化技术研究所李明珠研究员团队在新型结构色材料的制备与结构色调控机制相关研究方面新进展之一。在过去的几年里，团队创新性的提出了一种基于宏观拓扑形变和纳米周期结构协同作用的结构色调控机制（Angew. Chem. 2021, 60, 14307-14312；Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100915； Sci. Bull. 2023, 68, 276-283; Adv. Sci. 2023, 10, 2300347），成功解决了传统响应性结构色材料重复性差、响应慢等问题。此外，通过结构和材料设计，团队成功构筑了新型结构色材料，实现了对光场的多维度调控，并探究了其在多维信息存储及加密领域的应用（Sci. Adv. 2021,7,eabh1992; Adv. Mater. 2022, 34, 2107243; Sci. China Chem. 2023, 66, 3567–3575）。

该工作第一作者是赖欣涛博士、李同宇博士、侯晓宇（博士研究生）；通讯作者是中国科学院理化技术研究所李明珠研究员和复旦大学石磊教授；第一单位是中国科学院理化技术研究所。本工作得到中国科学院化学研究所宋延林研究员的帮助。

研究工作得到了国家杰出青年科学基金（22225502）、国家自然科学基金资助项目（22073107，52321006 和 2150410331）、科技部重点研发计划（2022YFE0202000、 2018YFA0208500）和中国科学院国际合作局（027GJHZ2022044MI）等项目的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2419113122