哥廷根大学Kai Zhang与天津大学苏荣欣团队提出集成盐辅助组装（iSAA）策略，实现可调谐纳米纤维干涉色

研究背景

双折射材料能够调控偏振光的相位延迟以产生干涉色（interference color），在信息安全、柔性光学、功能器件以及艺术设计等领域具有广泛应用。近年来，这类材料正从传统塑料体系向生物基、可降解材料发展。纤维素由于其固有双折射特性及可再生优势，是一种理想的材料载体。目前，干涉色调控研究主要集中在通过单轴拉伸和蒸发诱导自组装（EISA）等方法实现纤维素纳米晶体（CNCs）体系的长程有序排列。相比之下，纤维素纳米纤维（CNFs）虽具有优异的力学性能及多维度应用潜力（如高强纤维、透明雾度薄膜和功能凝胶），但其内部无序的非晶区域削弱了双折射效应，使其难以实现均一可控的干涉色。这一问题目前仍构成该领域的关键挑战。

研究进展

针对上述问题，研究团队提出了一种集成盐辅助组装（iSAA）策略，通过结合金属离子交联与有机–无机协同组装构建NF-C双折射复合结构，实现了以下关键突破：

1. 干涉色的宽域可调性

受海洋浮游生物等天然微结构的启发，本研究将盐晶体引入生物基纳米纤维基质中，实现有机–无机协同组装，增强材料的双折射效应。通过调节铝盐浓度，可精确调控NF–C复合薄膜的相位延迟（400–2500 nm），获得覆盖全阶Michel–Lévy图谱的干涉色，实现可调谐偏振光学响应。

2. 集成盐辅助受控组装机制

该研究提出了iSAA的协同组装新机制：1）纳米纤维通过与金属离子的配位作用构建交联网络；2）蒸发过程中，表面水分通量梯度驱动毛细流，促使未配位离子向边缘处迁移并富集；3）晶体生长产生的排斥与剪切作用促进纤维网络中的应力传输，驱动纳米NF-C复合结构的径向有序组装。所形成复合薄膜同时引入取向有序性与厚度梯度，协同增强双折射效应并产生连续可调的光学相位延迟。

不同于传统机械拉伸或外场诱导取向方法，该策略通过有机–无机协同组装实现高长径比纳米纤维的偏振光学响应。此外，该工作重构了金属盐在盐辅助组装（SAA）中的作用，使其由静电屏蔽或模板化转变为交联与组装集成驱动，从而提高结构有序性与光学各向异性。

3. 普适性与光谱选择性多色照明

该策略适用于磷酸化和羧基化CNFs以及蛋白淀粉样纤维等多种纳米纤维体系以及不同表面润湿性的基底，展现出优异的通用性。在功能上，该体系通过耦合透射式双折射干涉色与前向散射（光学雾度），可将入射白光转化为均匀、柔和的多色光（如绿色、品红色和黄色等），实现光谱选择性多色照明（图3G-O）。这一特性为基于自然光的被动式光管理提供了新的设计思路。

未来展望

CNFs具备可再生、可降解与高性能三位一体特性，是发展循环经济的关键材料载体。本研究基于CNFs构建的iSAA策略实现了纳米结构调控到宏观偏振光学的跨尺度耦合，为绿色光学材料设计提供了一种通用路径。在应用层面，双折射薄膜可利用自然光实现低碳可持续的光管理，有望降低室内彩色照明能耗，推动节能建筑发展。同时，其光谱选择性透射特性具备优化植物光合作用效率的潜力，从而能够为智能农业提供低能耗光环境解决方案。进一步地，该体系可与刮涂或卷对卷工艺兼容，有利于推进规模化制备与工程化应用。整体而言，iSAA技术可作为构建纳米纤维基双折射材料的通用平台，在先进光学和节能应用等领域具备重大潜力。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1198