仿生无掩膜结构色图案化，基于可调纳米颗粒分离

无染料打印色彩

想象一下书籍、纸币或手机壳，它们的鲜艳色彩永不褪色，因为根本不含任何染料。相反，这些颜色来自能够弯折和散射光的微小结构，类似于孔雀羽毛或蝴蝶翅膀。本文描述了一种在单步中“打印”此类结构色的新方法，无需复杂掩膜或多种墨水，打开了更环保的显示、可靠防伪标签以及能在红外相机下隐蔽的物体的可能性。

大自然如何构建光泽羽毛

许多鸟类的鲜亮金属光泽并非来自化学色素，而是来自填充于羽毛细胞内的纳米级深色小珠。在羽毛生长过程中，这些小珠会自然向细胞外缘迁移并排列成一层致密结构，反射特定波长的光。作者借用了这一思路：如果他们能引导人工纳米颗粒在液态树脂中迁移并在固化时堆积成薄表层，就能仅通过塑造该层来产生可控的颜色——无需印染或刻蚀图案。

用氧气与光线引导纳米颗粒

团队将均匀的二氧化硅纳米颗粒悬浮在透明丙烯酸树脂中，制成一种“光子墨水”，当颗粒形成有序阵列时它会呈现颜色。随后他们用紫外光照射，在允许氧气通过的塑料薄膜上固化这种墨水。氧气自薄膜渗入并在底部界面附近抑制固化反应，而远离薄膜的区域则更快固化。这种差异产生了流体组成的梯度：单体分子向正在固化的区域流动，纳米颗粒则被有效推向富氧的界面。当树脂最终在各处固化后，表面上方保留了一层明显的纳米颗粒富集层，而下方则是颗粒稀少区。通过改变光强、曝光时间、树脂化学成分和颗粒负载，研究者可以调节这层富集层的厚度——从远小于一微米到数微米不等。

双面色彩与隐蔽的红外图案

这种垂直分层结构使每个打印对象具有两个不同的面。背面处于更有序排列的颗粒产生明亮且随观察角度变化的颜色，类似金属光泽。外露面则因表面堆积层更无序，呈现出角度变化较小的柔和色彩。通过调整层厚、颗粒尺寸和打印条件，作者可以在广泛范围内调出这些颜色。由于纳米颗粒富集层的厚度与中红外光波长相当，它也改变了表面对热辐射的反射强度。结合实验与光学计算，团队表明改变该厚度可以移动并重塑红外反射峰，从而实现在人眼不可见但热像仪可检测到的图案。

无掩膜打印细致彩色图像

为将这一物理效应转化为实用工具，研究者将他们的墨水与灰度数字光处理（DLP）3D 打印结合。在该装置中，投影仪以精细可控的亮度逐层照射树脂。亮区固化更快，最终形成较薄的分离层；暗区则保留较厚的纳米颗粒堆积。因为局部颜色和红外响应取决于该厚度，单一配方的墨水即可产生丰富、高分辨率的图像。团队打印了复杂的中文字符、具有文化意义的太阳鸟徽章以及具有平滑色彩渐变的风景场景，像素尺寸约为 50 微米——可与许多商业显示技术媲美或更好。他们还展示了带有内置结构色图案和仅在红外可见的安全标记的 3D 物体，如鸟像和仿青铜半身像。

对日常技术的意义

简而言之，这项工作展示了如何通过在固化过程中让纳米颗粒自我分拣，在打印塑料内部“生长”可见和红外图案，而不是费力绘制微小特征或在不同彩色墨水之间切换。关键洞见在于：可透氧的软性塑料窗口渗入的氧气，可以从干扰因素转变为一种设计工具，推动颗粒进入受控的表面层。凭借单一、可回收的墨水和无掩膜打印机，制造商未来或能大规模生产细致、耐久的彩色图像与在可见光与热光中均有效的隐蔽安全标签，同时减少材料使用并避免传统染料的污染。

引用: Yang, L., Peng, Y., Wang, Z. et al. Bioinspired maskless structural colour patterning via tunable nanoparticle segregation. Nat Commun 17, 2450 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70490-4

关键词: 结构色, 纳米颗粒分离, 3D 打印, 防伪, 红外伪装