近期，哈尔滨工业大学肖淑敏课题组在可控全介质结构色显示技术方面取得突破。研究者将二氧化钛通过微纳加工制备结构色超表面，集成微流通道构建了一种直接、快速、新型的全介质结构色显示技术。

无论在现实世界还是虚拟世界中，颜色对于人们感知和判断周围的环境都至关重要。基于超表面制备的彩色纳米打印是色彩显示科学中革命性的进步。相比于传统基于染料的颜色，结构色拥有高分辨率、高信息存储密度、高集成性以及不会褪色的高稳定性等优势。在过去的几年中，结构色的空间分辨率已经被提高到了100000 dpi，并且已经能够实现非常艳丽、广色域的颜色。尽管在这方面的研究有了巨大的进步，但是大多数纳米结构的光学性质是固定的，因为一旦按照一定的尺寸被制备出来，就无法再进行调整，这严重阻碍了其在动画、防伪以及三维成像等潜在应用中的作用。已有的一些研究虽然能够实现超表面光学性质的调控，但是其响应时间相对于实际应用来说通常过长，因此找到一种能够实时控制纳米结构谐振以及相应结构色的简便方法非常地重要和必要。

图1 集成微流通道的结构色超表面

肖淑敏课题组开发的可控全介质结构色显示技术很好地弥补了上述缺憾，在高亮度、高饱和度二氧化钛超构表面的研究基础上（ACS Nano 11, 4445-4452, 2017），进一步将二氧化钛超构表面和微流通道集成实现了可见光段谐振和结构色的精确控制。在过去的几年中，已经有研究采用液晶浸透纳米结构，通过外加电场的注入控制液晶分子的方向，从而实现结构色的调控。但是，这需要非常强的外加电场。另外有研究通过采用对纳米结构材料的氢化和脱氢过程或者基底的机械形变来实现颜色的动态控制，但响应速度较慢。肖淑敏课题组采用了一套更简单直接的手段实现结构色的控制。他们首先利用电子束曝光技术和电子束蒸镀过程成功制备出二氧化钛的超表面结构，表现出高亮度和广色域的结构色。再将聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 微流通道与之集成，直接方便地进行不同液体的输入和输出，快速便捷地改变结构周围的折射率。通过环境折射率变化引起的谐振移动，实现了结构色的快速变化，调制的响应时间低至16 ms，成量级地小于之前报道中的结果，更利于在实际实时显示中的应用。

基于该结构快速的颜色调制和高分辨率的特点，该课题组还通过结构设计实现了图像信息的擦除和存储的应用。这项研究为下一代结构色显示技术、信息存储、防伪，甚至生物诊断提供了基础，结合高分辨微流技术，这项研究还将实现像素级和全色的颜色调制。

图2 微流控制的结构色变化及显示应用

         

图3 颜色调制的响应时间测试

这一成果近期以Real-Time Tunable Colors from Microfluidic Reconfigurable All-Dielectric Metasurfaces为题发表在ACS Nano 上。该论文作者为：Shang Sun, Wenhong Yang, Chen Zhang, Jixiang Jing, Yisheng Gao, Xiaoyi Yu, Qinghai Song, and Shumin Xiao,第一作者是哈尔滨工业大学博士研究生孙上。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b07121