我們給有毒染料找了個“替身”，而且它真的能吃…

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

然而，這些好看奪目的顏色背后，卻藏著不少環保難題：它們大多來自化學染料與顏料，從化石資源中制備、上色過程能耗高、回收時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，給生態系統帶來風險。

不過好在，大自然給出了更巧妙的“上色”提示——結構色。在自然界中，孔雀羽毛、甲蟲鞘翅、蝴蝶翅膀的絢麗并非來自色素，而是來自微納結構對光的結構色。受此啟發，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構，使材料“自身的結構”反射出可見光色彩。

各種顏色的塑料制品（圖片來源：作者AI生成）

Part.1

染色思路的新轉變：從“顏料色”到“結構色”

我們平時看到的顏色大多來自顏料色，其顏色由顏料分子對光的吸收決定。但自然界中還有另一類顏色，叫做結構色。它并不依賴染料分子，而是由材料內部非常精細、規律的微觀結構對光的作用產生的。

當光進入這些有周期性排列的微結構時，會發生“相干散射”：某些特定波長的光會被選擇性反射出來，于是我們就看到了鮮艷的顏色。孔雀羽毛、蝴蝶翅膀或甲蟲外殼上的絢麗色彩，都是典型的結構色。

孔雀羽毛和蝴蝶翅膀靠自身結構反光（圖片來源：作者AI生成）

在物理學上，結構色的反射波長λ與幾個因素有關：

n：材料的平均折射率，可以理解為光在其中傳播的“速度環境”；

P：所謂的“螺距”，就是微觀螺旋結構轉一圈的厚度；

θ：光線進入時與螺旋軸的夾角。

它們的關系大致可以寫成一個簡化公式：λ≈n·P·cosθ。

這意味著，只要調節微觀結構的排列方式，就能改變材料所呈現的顏色。并且，結構色不會像化學染料那樣輕易褪色，耐久性更強，還能靈活調節，非常適合應用在新型顯示、涂層和防偽技術中。

有研究者發現，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”的螺旋疊層微結構。螺距P決定反射中心波長：P越小顏色越偏藍，P越大顏色越偏紅。也就是說，只要改變濃度、溫度、添加劑等參數，就可以改變P，實現從紅到藍的色彩調節。

羥丙基纖維素的螺旋液晶結構（圖片來源參考文獻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，脫水干燥導致的螺距塌縮是一大傳統難題。溶液一旦脫水干燥，水分揮發會導致體系收縮，螺距急劇減小并藍移至紫外，最終固態膜會變為無色透明，導致結構色消失。

近日，東華大學武培怡教授、侯磊副研究員課題組在《美國化學會·納米》(ACSNano)發表的一項工作對此做出了突破。

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

發表在《美國化學會·納米》的研究（圖片來源：參考文獻1）

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

機制上，檸檬酸分子通過與HPC的醚鍵、羥基形成氫鍵，在干燥過程中插入并支撐手性液晶層間，抑制螺距的塌縮，從而把反射波長穩定在可見光區。同時，隨檸檬酸含量增加，螺距可線性增大，實現顏色線性可調，實測能覆蓋約434–691nm的可見光譜范圍。

HPC/CA水溶液在空氣干燥前后的示意圖（圖片來源：參考文獻1）

為提高結構色的飽和度與可讀性，該研究在配方中少量加入食用品級烏賊墨作為寬帶吸收體，削弱雜散反射，提升對比度，同時保持“可食用”特性。

用天然材料制備“結構色 HPC 塑料”的思路與優勢（圖片來源：參考文獻1）

更重要的是，這種材料還有利于加工。流變結果顯示，羥丙基纖維素-檸檬酸水凝體系呈剪切變稀特性（中段平臺+兩端剪切變稀），說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3D打印與注塑提供工藝基礎。

HPC的手性液晶自組裝提供了“結構生色”的基礎，檸檬酸通過強氫鍵在分子層面穩定并放大螺距，把反射中心固定在可見光區，實現無染料、線性可調、固態保色的結構色塑料。

Part.3

從實驗室走向大眾生活：技術突破與應用前景

相比傳統實驗室演示性質的結構色材料，這項研究才真正讓它走向了“可用”。

首先，在性能上，HPC/CA塑料展現出媲美商用塑料的力學指標，抗拉強度最高可達72 MPa，楊氏模量達1.6 GPa。這意味著它不僅好看，還能夠滿足日常應用對強度和韌性的基本需求。

其次，在加工工藝上，這種材料與現有制造方式高度兼容，既可以像墨水一樣進行3D打印，也能通過注塑成型得到復雜三維結構，甚至還能在高濕環境下進行折紙式成型，干燥后固定形態。而配方中的檸檬酸含量可以直接決定顏色，類似于一個天然調色盤，同一批原料就能做出彩虹般的成品。

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

而在循環與環保方面，這種塑料實現了閉環。服役結束后，只需加水攪拌即可重新變回溶液，干燥后又能得到幾乎相同性能和顏色的新材料；同時，它完全源于天然成分，在土壤中能逐漸降解，遠優于PVC等常見塑料。

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

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到固態，獲得線性可調、明亮穩固的結構色，同時將力學強度推到商用品質的區間，并與現有3D打印和注塑工藝順暢銜接。結構色不再只是實驗室的“炫技”，而是具備工程落地性的材料方案。

Part.4

未來可期：顏色背后的綠色革命

或許你會疑惑，我們為什么要這么關心塑料的顏色？因為色彩從不僅僅只是裝飾，更牽動著資源消耗、環境排放與回收體系的復雜平衡。

從“顏色靠染料”到“顏色靠結構”，這一思路的轉變，實質上是把材料科學與可持續理念相結合，讓材料自身的微納結構去選擇性反射可見光，從源頭減少染料的生產與使用成本、毒性與回收干擾。

東華大學團隊的這項研究成果，不僅是一項技術突破，更為“無染料、可降解、可回收”的彩色塑料提供了現實路徑，展示了未來綠色材料設計的方向。

參考文獻：

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

出品：科普中國

作者：邵文亞、楊超

編輯：（可省）

監制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

本文首發于中國科普博覽（kepubolan）

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