从金龟子鞘翅到孔雀羽毛，结构色彩广泛存在于各种生物中，历经大自然千万年进化。微流控，能在比头发还细的管道中精确操控流体，累积人类千百年的科技进步。微流控拥抱结构色，中国学者研发的新技术让梦想照进现实。
“池塘边的榕树上，知了在声声叫着夏天；操场边的秋千上，只有蝴蝶停在上面”。教室里的小男孩在无聊的掰着塑料尺——尺子掰弯的地方出现了白色细纹，这是高分子应力微裂现象，生活中使用塑料制品时随处可见。通常，微裂所产生的细小纤维尺寸不规则，因漫反射在受力局部视觉发白。
然而，高分子微裂只能发白么？科学家的近期研究给出了更多可能——京都大学 Pureosity 团队在 2019 年探索出一个新的理论和方法“规整微纤维（Organized microfibrillation，OM）”，将传统的应力发白拓展为应力色彩。团队中负责技术研发的中国成员秦德韬博士说，OM 方法通过光学干涉来控制微纤维形成过程，让微纤维层与致密层周期性交替排列，每层微纤维大小基本一致，多层堆叠之后，对特定波长光线反射时形成相长干涉，从而产生结构色彩效应。相关研究成果发表在该年 Nature 正刊上（秦德韬为第三作者）[1]。
在秦德韬的眼里，OM 是极具特色的一项研究，能将科学和艺术完美融合。以光为笔，以薄膜为画布，梵高的《星空》、维米尔的《戴珍珠耳环的少女》、达芬奇的《蒙娜丽莎》, 这些世界名画通过 OM 方法在毫厘之间便可完成绘制（图 1）。并且，作为一项无墨色彩打印方法，OM 能取得超高分辨率（每英寸 14000 点），达到普通打印机的十倍以上。
科学和艺术是外延，OM 方法的内涵则是对自然的深入思考与不断探索：OM 结构色与自然生物中一些结构色存在微观相似性。与色素色（通过化学物质吸收某种光波而反射其他光波所形成的颜色）不同的是，结构色源于微尺度物理结构对光的干涉效应。孔雀的羽毛、甲虫的鞘翅、闪蝶的翅膀、霓虹灯鱼的横纹，将这些绚烂的色彩放在显微镜下观察，会发现它们色彩形成的共同特征——微小结构的周期性排列及其光学干涉效应。其中，甲虫鞘翅与 OM 结构最为近似：二者都是致密层和疏松层交替排列堆叠，并且疏松层（即 OM 的微纤维层）中含有气孔。更有意思的是，很多自然结构色可以随着环境的变化而产生改变。当湿度发生变化时，水能进入某些甲虫的鞘翅，将空气挤出，改变疏松层的折射系数，也让甲虫的结构色发生相应的变化（例如，由金色变为红色）。
这一自然现象激发秦德韬去思考更为深层次的问题，能否采用 OM 结构中的微孔来接纳液体，更进一步，伴随颜色变化能否对流体进行同步微观控制？抓住此灵感，秦德韬便专注于 OM 微流控新技术的研发，并在自然现象基础上取得进一步的科技成就：OM 微通道可以精确控制流体的方向，这突破了水在甲虫鞘翅内的不定向扩散的局限性，实现了微流控拥抱结构色。相关论文近期发表在 Nature Communications 上，论文阐述了 OM 微流控技术作为一个崭新平台的独特功能和应用潜力，并被评为 Editor’s Higlight[2]。
技术细节上，OM 微流控将结构色彩与流体性能两者耦合起来。OM 通道内部含有多层微孔，流体在通道内扩散速度是由每层微孔的孔径所决定，而不由通道表观尺寸所决定（图2）。同时，因为孔径与多层结构的层间距正相关，所以微孔孔径与 OM 通道的结构色彩正相关：对应可见光光谱，微孔越小，结构色越蓝；微孔越大，结构色越红。实验结果显示液体在 OM 通道的扩散参数（dL/dt2）与 OM 通道结构色布拉格峰位正相关，而与通道表观宽度无关。这表明，可以通过 OM 通道的颜色来判断液体在其中扩散的快慢。同时，OM 的“微孔-色彩”耦合机制有助于微流控产品的质量控制：微/纳米级细小通道通常需要显微镜才能观测，而 OM 技术将微/纳通道进行多层堆叠，在薄膜平面外形成裸眼可见的结构色彩，通过色彩即可评估微孔大小。
当谈及论文的审稿历程时，秦德韬说论文经历多轮评审，历时一年多，其中，评审专家的一个尖锐问题给他留下深刻印象，该专家问：“相较于其他微流控技术，OM 微流控在实际应用上有没有独一无二的‘杀手锏（Killer Apps）’?”为了回答这个问题，秦德韬着手研究如何让水流入 OM 通道，并对“微孔-色彩”耦合机制在应用方向进行深入挖掘。
秦德韬解释道，制备 OM 通道的高分子是输水材料，而通道内部微孔尺寸为亚微米级别，同时，微孔间的纤维增加了通道的比表面积，这增强了通道的输水特性。因此，纯水在毛细作用力下无法自发流入通道。然而，实际应用上，水是非常重要的溶剂载体，广泛用于微流控的生化分析和医药研发。因此，必须要攻克这一难题。通过不断实验，秦德韬发现引入辅助润湿的添加剂后，水溶液可以自发流入 OM 通道[3]。在此基础上，论文阐述了 OM 微流控在实际应用上的一个“杀手锏”：OM 微流控技术可在单个微型设备中对微孔进行调控和组合，并且，调控可以针对特定应用与需求来开展，调控结果由结构色彩直接指示。相应的，论文展示了 OM 通道对葡聚糖、胰岛素、SARS-CoV-2 病毒核衣壳蛋白等生物分子的分离（图 3）。
目前，微流控的高精度制备处在一个“慢车道”：传统的光刻蚀或软刻蚀制备微流控工艺流程复杂，需要诸多步骤环环相扣，在器件组装后才可使用。秦德韬认为，OM 技术为微流控的高精度制备提供了一个“快车道”：通过干涉光刻和显影两步骤即可在高分子薄膜中制备出亚微米级流体通道，无需组装等额外步骤。此外，OM 技术采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等普通工程高分子，有材料成本低的优势。
谈到研究前景时，秦德韬认为，OM 微流控技术的一个重要发展方向是在生化医药领域。例如，OM 薄膜适宜穿戴，有利于皮肤接触型微流控设备的研发（图 4）。此外，生物器官芯片是微流控的重要研究方向：通过对活体细胞、生物流体等要素的有机组织，在芯片上构建生理微系统来模拟各器官的主要功能与器官之间的联系，从而推动新药研发和毒性测试。OM 微流控技术可以朝着这个方向开展研究，用于构建器官芯片或其重要元件。
据悉，秦德韬博士毕业于南洋理工大学，目前在京都大学担任助理教授，深入高分子物理研究，聚焦 OM 方法及微流控技术的研发（图 5）。通过对多年研究的思考和总结，秦德韬认为时代发展赋予科学家更多的责任与使命，从自然中探索科学，用科学来创作艺术，会成为社会发展中的一个重要旋律。
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参考：
1.Masateru M. Ito, Andrew H. Gibbons, Detao Qin, et al. Structural colour using organized microfibrillation in glassy polymer films. Nature, 570, 2019, 363.https://doi.org/10.1038/s41586-019-1299-8
2.Detao Qin, Andrew H. Gibbons, Masateru M. Ito, et al. Structural colour enhanced microfluidics. Nature Communications. 2022, 13, 2281. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29956-4
3.https://engineeringcommunity.nature.com/posts/organized-microfibrillation-an-emerging-platform-for-printing-microfluidic-chips