上海交通大學姜學松教授《自然·通訊》：光控自適應生長策略實現光子晶體結構動態編程

光與物質之間的相互作用是現代光子學發展的基石，其時空精準性為材料重構提供了獨特手段。然而，實現動態的“光-結構-光”反饋循環仍面臨重大挑戰：光驅動結構演化常引入缺陷破壞光學功能；光往往僅作為結構起始信號，缺乏結構對光傳播的動態調控；此外，能量耗散、動力學亞穩態等問題也制約著多功能集成系統的實現。如何實現結構演化與光學反饋之間的雙向互動，成為設計智能光響應材料的關鍵難題。

近日，上海交通大學姜學松教授、徐夢達博士合作提出了一種光誘導自適應性生長策略，能夠在全氟磺酸離子聚合物薄膜中，按需工程化構建多尺度有序光子晶體結構。該研究通過將蒽功能化的季銨鹽引入聚合物基質，利用紫外線觸發蒽的光二聚化反應，引發局部相分離，并驅動納米粒子沿光傳播路徑定向聚集生長。由此形成的納米粒子柱狀結構，其垂直或傾斜的構型可由入射光角度程序化控制，從而建立起一個雙向反饋循環：不斷生長的結構調制光傳播，進而引導后續生長。該策略克服了傳統光子晶體的靜態局限，為創建可編程光子架構提供了一個通用平臺。相關論文以“Light-induced self-adaptive growth of photonic crystal structures in perfluorosulfonic acid ionomer films”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先闡明了這一多尺度有序結構的構建策略（圖1）。在全氟磺酸聚合物薄膜中，引入含蒽基團的季銨鹽后，銨離子與磺酸離子通過超分子相互作用形成離子簇。在80°C下用365nm紫外光照射，蒽的二聚化觸發離子簇聚集，形成納米粒子。隨著光照時間延長，相分離進一步發展，形成更大的納米粒子。由于蒽衍生物與聚合物基質間的折射率差異，相分離區域形成了一個光學波導，后續粒子優先沿光照方向生長，最終形成光子晶體粒子柱結構。通過使用光掩模選擇性地控制照射區域，研究人員成功在薄膜內部制備了垂直或傾斜的微米級光柵結構，甚至通過宏觀掩模在同一薄膜層中制造了不同取向的粒子柱，實現了對互補結構色彩圖案觀察角度的精確控制。

圖1. 薄膜內紫外誘導多尺度有序結構自適應生長示意圖。 a 紫外光控制的光子晶體粒子柱結構生長。b 薄膜組分分子結構及其間的超分子相互作用。c 光子晶體粒子柱自適應生長機制示意圖。d 薄膜內部構建的微米級垂直光柵（上）和傾斜光柵（下）的3D熒光分布圖。比例尺：10 μm。e 由薄膜內不同模式的粒子柱結構控制的互補光子晶體圖案及相應的3D熒光分布圖。中間比例尺：1 cm，左/右比例尺：5 μm。

為了揭示納米粒子的自適應生長機制，團隊深入研究了其生長動力學（圖2）。超分子相互作用是生長的基礎。動態熱機械分析追蹤了薄膜玻璃化轉變溫度的變化，揭示了光誘導納米粒子演化過程中的分子鏈動力學。熒光光譜分析意外地發現，光照初期熒光強度快速增加，這是由于紫外線照射部分破壞了蒽基團因π-π堆積導致的聚集誘導猝滅效應。一系列實驗表明，自適應生長的粒子顯著影響了薄膜的光學效應。粒子區域強烈散射光，呈現乳白色。隨著紫外曝光時間延長，粒子區域的深度逐漸增加。紫外-可見反射光譜顯示，經過紫外照射的薄膜在520nm處出現反射峰，表明粒子數量的增加增強了結構色。

圖2. 粒子生長機制與動力學。 a 不同紫外光照時間下PFSA和PFSA-An的AFM相位圖。b 不同紫外曝光時間下PFSA和PFSA-An的玻璃化轉變溫度變化。c 不同紫外照射時間下PFSA-An薄膜在413 nm處熒光強度的變化。d 不同紫外照射時間下，PFSA-An薄膜截面中粒子區域梯度生長的光學照片（數值單位：μm）。e 紫外照射下PFSA-An薄膜的紫外-可見反射光譜變化以及樣品在照射10分鐘前后的照片。比例尺：1 cm。

研究核心在于揭示了光與光子晶體粒子柱結構之間的雙向反饋（圖3）。結構演化嚴格沿光路發生，通過改變入射光角度，可以精確編程粒子柱的構型——垂直（模式I）或傾斜（模式II）。粒子柱如同光纖，將散射光限制在柱內，形成了“紫外光-粒子柱”的雙向反饋循環，引導粒子柱沿光路有序生長。通過顯微鏡從不同視角觀察證實，粒子柱的生長方向嚴格依賴于紫外光的照射方向。這種雙向反饋使得結構能夠持續適應，生長的柱狀結構動態地影響光散射模式。激光散射圖案與粒子柱方向直接相關，通過分析散射圖案即可判定粒子柱的具體取向模式。

圖3. 紫外誘導光子晶體粒子柱結構的自適應生長。 a 紫外誘導粒子柱生長的兩種模式。b 模式I粒子柱在不同平面（X-Z平面和Y-Z平面）分布的SEM圖像。比例尺：5 μm。c 模式II（45°）粒子柱在不同平面（X-Z平面和Y-Z平面）分布的SEM圖像。比例尺：5 μm。d 模式I下，不同紫外曝光時間粒子柱生長的長度（?L）變化及相應的激光散射圖案。激光垂直于樣品表面。結果為平均值±標準差，n = 3。e 模式II（45°）下，不同紫外曝光時間粒子柱生長的高度（?H）變化及相應的激光散射圖案。激光垂直于樣品表面。結果為平均值±標準差，n = 3。f 模式I樣品的激光散射測試方法及不同旋轉角度下光散射圖案的變化。θR 代表入射激光的旋轉角度。g 模式II（45°）樣品的激光散射測試方法及不同旋轉角度下光散射圖案的變化。θR 代表入射激光的旋轉角度。

基于上述可控生長，研究團隊成功制備了圖案化的光子晶體結構（圖4）。利用掩模輔助的紫外光控制，基于模式I的PC結構顯示出不同的光學圖案和清晰的邊界。數字灰度掩模甚至可產生具有3D效果的復雜圖案。這種自適應生長機制使內部粒子結構沿紫外光方向有序排列，產生不完全光子帶隙，僅沿有序軸方向反射光，從而呈現結構色。因此，薄膜在不同觀察角度下顯示出角度依賴性的結構色彩。通過結合模式I和模式II，研究人員在同一薄膜中集成了取向不同的雙PC結構，實現了從兩個視角（0°和45°）觀察結構色，為多維、多角度、多層級光學圖案的應用奠定了基礎。

圖4. 基于光子晶體粒子柱的結構色彩圖案控制。 a 紫外光控制下的不同色彩圖案。比例尺：0.25 cm。b 由沿紫外光照射方向有序排列的粒子產生的不完全光子帶隙選擇性反射光的示意圖。c 在同一薄膜面的兩側構建具有兩種角度的粒子柱以產生互補結構色彩圖案。比例尺：1 cm。d 在薄膜兩側各自構建具有兩種角度的粒子柱，并在薄膜一側不同角度觀察到兩種不同的結構色彩圖案。比例尺：1 cm。

進一步地，研究團隊探索了光子晶體型光柵結構的構建與應用（圖5）。采用更高分辨率的光掩模，成功在薄膜內部制備了間距為5微米的光柵結構。通過使用不同的條紋掩模和圖案，可以定制包括條紋、點陣和環形在內的各種光柵。這些光柵結構將透射光分成雙虛擬圖像，顯示出在定向成像中的應用潛力。更有趣的是，當白光以一定角度入射到具有垂直排列PC粒子柱的薄膜表面時，含粒子柱的區域主要表現出無序散射和反射，而不含粒子柱的圖案區域則因符合布拉格定律而發出衍射光，產生生動的彩虹色。研究還展示了如何利用材料的形狀記憶效應，與PC光柵的生動結構色協同，實現信息的可擦寫與重構，例如將二維碼寫入薄膜，并通過拉伸和恢復薄膜來控制其可讀性。

圖5. 紫外誘導的光子晶體型光柵結構。 a 垂直PC光柵樣品（上）和傾斜PC光柵樣品（下）截面的光學顯微照片。左比例尺：10 μm，右比例尺：50 μm。b 10 μm條形PC光柵、3 μm條形PC光柵、10 μm點陣PC光柵和5 μm環形PC光柵的光學照片。圖片共享同一比例尺：10 μm。c PC光柵結構色原理示意圖。θi 代表入射光角度。d 代表PC光柵間距。d 通過將宏觀圖案掩模與光柵圖案掩模疊加，創建具有不同結構色的圖案。e 不同色彩圖案的PC光柵照片。圖片共享同一比例尺：1 cm。f 具有垂直PC光柵的樣品在不同角度下的透射光譜及相應的結構色變化光學照片。θs 代表薄膜的旋轉角度。g 通過形狀記憶效應擾亂和恢復PC光柵型二維碼圖案。比例尺：1 cm。

這項研究開創了一種光驅動的按需制造可重構光子晶體的策略，并實證了結構演化與光學反饋之間的雙向互動。在這里，光不僅引發相分離，還通過實時調制納米粒子聚集來引導結構排列。更重要的是，演化的PC結構動態地改變光傳播，形成一個反饋循環來優化后續生長模式，這是傳統靜態PC所不具備的特性。這種雙向互動促進了角度特異性結構色和功能性PC光柵的制備。該研究為自適應光子系統建立了一個基礎框架，對可重構光學和響應性材料設計具有廣泛意義。