逛超市時(shí)，人們總會被色彩斑斕的塑料制品吸引——無論是飲料瓶的鮮艷包裝，還是兒童玩具的明亮色調(diào)。然而，這些奪目的顏色背后，隱藏著不容忽視的環(huán)保難題。傳統(tǒng)塑料的著色主要依賴化學(xué)染料，這些染料通常從化石資源中提取，生產(chǎn)過程能耗高，且回收時(shí)因配方復(fù)雜難以分離。更嚴(yán)重的是，部分染料在使用或廢棄后可能緩慢釋放有害物質(zhì)，對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅。

面對這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家將目光投向了自然界中的“色彩大師”——孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和甲蟲鞘翅的絢麗并非來自色素，而是源于微納結(jié)構(gòu)對光的巧妙調(diào)控。這種不依賴染料、僅通過材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)反射光線產(chǎn)生的顏色，被稱為“結(jié)構(gòu)色”。受此啟發(fā)，研究人員嘗試?yán)每稍偕牧夏M這種自然現(xiàn)象，開發(fā)出一種無需化學(xué)染料即可呈現(xiàn)多彩顏色的新型塑料。

結(jié)構(gòu)色的形成源于光與材料內(nèi)部周期性排列的微結(jié)構(gòu)相互作用。當(dāng)光線進(jìn)入這些結(jié)構(gòu)時(shí)，特定波長的光會被選擇性反射，從而呈現(xiàn)出鮮艷的色彩。其反射波長與材料的平均折射率、微觀螺旋結(jié)構(gòu)的螺距以及光線入射角度密切相關(guān)。通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，科學(xué)家可以精準(zhǔn)控制材料呈現(xiàn)的顏色。例如，羥丙基纖維素（HPC）在特定濃度的水溶液中能自組裝形成螺旋疊層結(jié)構(gòu)，螺距越小顏色越偏藍(lán)，螺距越大則越偏紅。僅需調(diào)整溶液濃度、溫度或添加少量成分，即可實(shí)現(xiàn)從紅色到藍(lán)色的全光譜調(diào)節(jié)。

盡管結(jié)構(gòu)色在實(shí)驗(yàn)室中已展現(xiàn)出巨大潛力，但脫水干燥導(dǎo)致的螺距塌縮問題長期制約其實(shí)際應(yīng)用。溶液干燥時(shí)，水分揮發(fā)會使體系收縮，螺距急劇減小，最終導(dǎo)致固態(tài)膜變?yōu)闊o色透明。近日，一項(xiàng)發(fā)表于《美國化學(xué)會·納米》的研究突破了這一瓶頸。研究人員以羥丙基纖維素為基體，引入檸檬酸（CA）作為“鎖色劑”。檸檬酸不僅可食用、可生物降解，還能通過多重氫鍵在干燥過程中“支撐并固定”螺旋結(jié)構(gòu)，防止螺距塌縮，使顏色在固態(tài)下依然明亮穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，隨著檸檬酸含量增加，螺距線性增大，顏色可覆蓋434–691納米的可見光譜范圍。少量食用級烏賊墨的加入進(jìn)一步提升了色彩飽和度，同時(shí)保持了材料的可食用特性。

這種新型材料不僅色彩表現(xiàn)優(yōu)異，還具備出色的加工性能。流變學(xué)分析顯示，羥丙基纖維素-檸檬酸水凝體系具有剪切變稀特性，便于通過3D打印或注塑成型制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例如，研究人員利用該材料打印出多彩圖案，或通過折紙工藝在高濕環(huán)境下塑形，干燥后固定形態(tài)。更值得一提的是，材料的顏色可直接由檸檬酸含量調(diào)控，同一批原料即可生產(chǎn)出彩虹般的成品，為個性化定制提供了可能。

在環(huán)保性能方面，這種結(jié)構(gòu)色塑料實(shí)現(xiàn)了真正的閉環(huán)循環(huán)。廢棄后，只需加水?dāng)嚢杓纯芍匦氯芙鉃槿芤海稍锖笥帜芑謴?fù)原有性能和顏色，可反復(fù)使用。同時(shí)，其完全由天然成分構(gòu)成，在土壤中能逐漸降解，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)塑料如PVC等對環(huán)境的長期污染。力學(xué)測試表明，該材料的抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)72兆帕，楊氏模量達(dá)1.6吉帕，與商用塑料相當(dāng)，能夠滿足日常應(yīng)用需求。

從食品包裝到兒童玩具，從防偽標(biāo)簽到濕度傳感器，這種無需染料、可降解且可回收的結(jié)構(gòu)色塑料展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。其色彩調(diào)控機(jī)制不僅避免了有害染料的使用，還通過材料本身的微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對光的精準(zhǔn)操控，為綠色材料設(shè)計(jì)提供了全新思路。這一突破標(biāo)志著結(jié)構(gòu)色技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一步，或許不久的將來，人們將看到更多由自然靈感啟發(fā)的環(huán)保材料走進(jìn)生活。