我們給有毒染料找了個(gè)“替身”，而且它真的能吃…

逛超市時(shí)拿起一瓶飲料，或是給孩子挑選喜愛(ài)的玩具，你大概率會(huì)被其塑料的顏色吸引——鮮艷的紅、明亮的黃、深邃的藍(lán)……

然而，這些好看奪目的顏色背后，卻藏著不少環(huán)保難題：它們大多來(lái)自化學(xué)染料與顏料，從化石資源中制備、上色過(guò)程能耗高、回收時(shí)又因配方各異難以分離；更棘手的是，部分色料還可能在使用或遺棄后緩慢釋放，給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。

不過(guò)好在，大自然給出了更巧妙的“上色”提示——結(jié)構(gòu)色。在自然界中，孔雀羽毛、甲蟲(chóng)鞘翅、蝴蝶翅膀的絢麗并非來(lái)自色素，而是來(lái)自微納結(jié)構(gòu)對(duì)光的結(jié)構(gòu)色。受此啟發(fā)，研究者嘗試讓可再生的纖維素衍生物在水中自組裝出手性液晶結(jié)構(gòu)，使材料“自身的結(jié)構(gòu)”反射出可見(jiàn)光色彩。

各種顏色的塑料制品（圖片來(lái)源：作者AI生成）

Part.1

染色思路的新轉(zhuǎn)變：從“顏料色”到“結(jié)構(gòu)色”

我們平時(shí)看到的顏色大多來(lái)自顏料色，其顏色由顏料分子對(duì)光的吸收決定。但自然界中還有另一類(lèi)顏色，叫做結(jié)構(gòu)色。它并不依賴(lài)染料分子，而是由材料內(nèi)部非常精細(xì)、規(guī)律的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光的作用產(chǎn)生的。

當(dāng)光進(jìn)入這些有周期性排列的微結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)生“相干散射”：某些特定波長(zhǎng)的光會(huì)被選擇性反射出來(lái)，于是我們就看到了鮮艷的顏色。孔雀羽毛、蝴蝶翅膀或甲蟲(chóng)外殼上的絢麗色彩，都是典型的結(jié)構(gòu)色。

孔雀羽毛和蝴蝶翅膀靠自身結(jié)構(gòu)反光（圖片來(lái)源：作者AI生成）

在物理學(xué)上，結(jié)構(gòu)色的反射波長(zhǎng)λ與幾個(gè)因素有關(guān)：

n：材料的平均折射率，可以理解為光在其中傳播的“速度環(huán)境”；

P：所謂的“螺距”，就是微觀螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)一圈的厚度；

θ：光線進(jìn)入時(shí)與螺旋軸的夾角。

它們的關(guān)系大致可以寫(xiě)成一個(gè)簡(jiǎn)化公式：λ≈n·P·cosθ。

這意味著，只要調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)的排列方式，就能改變材料所呈現(xiàn)的顏色。并且，結(jié)構(gòu)色不會(huì)像化學(xué)染料那樣輕易褪色，耐久性更強(qiáng)，還能靈活調(diào)節(jié)，非常適合應(yīng)用在新型顯示、涂層和防偽技術(shù)中。

有研究者發(fā)現(xiàn)，一種叫做羥丙基纖維素（HPC）的材料在56–60%等濃度水溶液中，可自組裝形成“層—層—層”的螺旋疊層微結(jié)構(gòu)。螺距P決定反射中心波長(zhǎng)：P越小顏色越偏藍(lán)，P越大顏色越偏紅。也就是說(shuō)，只要改變濃度、溫度、添加劑等參數(shù)，就可以改變P，實(shí)現(xiàn)從紅到藍(lán)的色彩調(diào)節(jié)。

羥丙基纖維素的螺旋液晶結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源參考文獻(xiàn)1）

Part.2

檸檬酸的鎖色“魔法”：干燥后仍能保色的新突破

在以往研究中，脫水干燥導(dǎo)致的螺距塌縮是一大傳統(tǒng)難題。溶液一旦脫水干燥，水分揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致體系收縮，螺距急劇減小并藍(lán)移至紫外，最終固態(tài)膜會(huì)變?yōu)闊o(wú)色透明，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色消失。

近日，東華大學(xué)武培怡教授、侯磊副研究員課題組在《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》(ACSNano)發(fā)表的一項(xiàng)工作對(duì)此做出了突破。

他們以羥丙基纖維素（HPC）為基體，引入了檸檬酸（CA）。這種物質(zhì)可食用、可生物降解、且能提供多重氫鍵，能夠在干燥過(guò)程中“支撐并鎖定”手性液晶的螺旋節(jié)距，使顏色在固態(tài)下依然明亮，并且可隨配方線性調(diào)諧，覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光譜。

發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)·納米》的研究（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

為什么檸檬酸能“鎖色”？該研究引入檸檬酸（CA）這一強(qiáng)多重氫鍵供體。量子化學(xué)分析顯示，與醇、胺等相比，羧酸與HPC的結(jié)合能更低，相互作用更強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，只有含羧酸基的小分子能在干燥后保留鮮艷結(jié)構(gòu)色，吻合理論判斷。

機(jī)制上，檸檬酸分子通過(guò)與HPC的醚鍵、羥基形成氫鍵，在干燥過(guò)程中插入并支撐手性液晶層間，抑制螺距的塌縮，從而把反射波長(zhǎng)穩(wěn)定在可見(jiàn)光區(qū)。同時(shí)，隨檸檬酸含量增加，螺距可線性增大，實(shí)現(xiàn)顏色線性可調(diào)，實(shí)測(cè)能覆蓋約434–691nm的可見(jiàn)光譜范圍。

HPC/CA水溶液在空氣干燥前后的示意圖（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

為提高結(jié)構(gòu)色的飽和度與可讀性，該研究在配方中少量加入食用品級(jí)烏賊墨作為寬帶吸收體，削弱雜散反射，提升對(duì)比度，同時(shí)保持“可食用”特性。

用天然材料制備“結(jié)構(gòu)色 HPC 塑料”的思路與優(yōu)勢(shì)（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

更重要的是，這種材料還有利于加工。流變結(jié)果顯示，羥丙基纖維素-檸檬酸水凝體系呈剪切變稀特性（中段平臺(tái)+兩端剪切變稀），說(shuō)明檸檬酸不破壞手性液晶形成并利于擠出/打印成形，為后續(xù)3D打印與注塑提供工藝基礎(chǔ)。

HPC的手性液晶自組裝提供了“結(jié)構(gòu)生色”的基礎(chǔ)，檸檬酸通過(guò)強(qiáng)氫鍵在分子層面穩(wěn)定并放大螺距，把反射中心固定在可見(jiàn)光區(qū)，實(shí)現(xiàn)無(wú)染料、線性可調(diào)、固態(tài)保色的結(jié)構(gòu)色塑料。

Part.3

從實(shí)驗(yàn)室走向大眾生活：技術(shù)突破與應(yīng)用前景

相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室演示性質(zhì)的結(jié)構(gòu)色材料，這項(xiàng)研究才真正讓它走向了“可用”。

首先，在性能上，HPC/CA塑料展現(xiàn)出媲美商用塑料的力學(xué)指標(biāo)，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)72 MPa，楊氏模量達(dá)1.6 GPa。這意味著它不僅好看，還能夠滿(mǎn)足日常應(yīng)用對(duì)強(qiáng)度和韌性的基本需求。

其次，在加工工藝上，這種材料與現(xiàn)有制造方式高度兼容，既可以像墨水一樣進(jìn)行3D打印，也能通過(guò)注塑成型得到復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，甚至還能在高濕環(huán)境下進(jìn)行折紙式成型，干燥后固定形態(tài)。而配方中的檸檬酸含量可以直接決定顏色，類(lèi)似于一個(gè)天然調(diào)色盤(pán)，同一批原料就能做出彩虹般的成品。

HPC/CA 塑料可通過(guò) 3D 打印、注塑和折紙等多種方式加工成不同形狀和結(jié)構(gòu)色圖案（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

而在循環(huán)與環(huán)保方面，這種塑料實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)。服役結(jié)束后，只需加水?dāng)嚢杓纯芍匦伦兓厝芤海稍锖笥帜艿玫綆缀跸嗤阅芎皖伾男虏牧希煌瑫r(shí)，它完全源于天然成分，在土壤中能逐漸降解，遠(yuǎn)優(yōu)于PVC等常見(jiàn)塑料。

未來(lái)，它的應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊：避免了有害染料，塑料材質(zhì)的食品包裝和兒童玩具更安全；材料的濕度響應(yīng)與角度變色特性賦予的額外功能，能讓其在防偽和傳感領(lǐng)域大有作為。

以羥丙基纖維素為基、借助檸檬酸的多重氫鍵“插層與鎖定”，研究者把液相中的手性液晶有序延續(xù)到固態(tài)，獲得線性可調(diào)、明亮穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)色，同時(shí)將力學(xué)強(qiáng)度推到商用品質(zhì)的區(qū)間，并與現(xiàn)有3D打印和注塑工藝順暢銜接。結(jié)構(gòu)色不再只是實(shí)驗(yàn)室的“炫技”，而是具備工程落地性的材料方案。

Part.4

未來(lái)可期：顏色背后的綠色革命

或許你會(huì)疑惑，我們?yōu)槭裁匆@么關(guān)心塑料的顏色？因?yàn)樯蕪牟粌H僅只是裝飾，更牽動(dòng)著資源消耗、環(huán)境排放與回收體系的復(fù)雜平衡。

從“顏色靠染料”到“顏色靠結(jié)構(gòu)”，這一思路的轉(zhuǎn)變，實(shí)質(zhì)上是把材料科學(xué)與可持續(xù)理念相結(jié)合，讓材料自身的微納結(jié)構(gòu)去選擇性反射可見(jiàn)光，從源頭減少染料的生產(chǎn)與使用成本、毒性與回收干擾。

東華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果，不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更為“無(wú)染料、可降解、可回收”的彩色塑料提供了現(xiàn)實(shí)路徑，展示了未來(lái)綠色材料設(shè)計(jì)的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ma, Xu, et al. "Edible Structurally Colored Plastics." ACS nano (2025).

出品：科普中國(guó)

作者：邵文亞、楊超

編輯：（可省）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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