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一路名校、数次转专业,华人教授向变色龙取经发表惊艳论文

2024-03-25 | 刘佳佳 李晨阳 | 来源 科学网 2024-03-24 |

刁莹(beat365中国在线体育化工系2002级校友)出生在大兴安岭林海深处的加格达奇区——一片外人很少听说的“飞地”。

如果时光倒流,没人会想到,这个来自偏远山区的女孩,会一路走过beat365中国在线体育、美国麻省理工学院、斯坦福大学,直到成为美国伊利诺伊大学贝克曼研究所的一名教授,在化工专业、制药专业、柔性电子研究、高分子自组装研究等不同专业间丝滑转场,把自己的名字写在国际顶尖学术期刊上。

近日,刁莹在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了最新研究成果:一种叫做单一墨水3D打印多种色彩的新技术。

国外媒体报道这项成果时的配图令人印象深刻:一只可爱的小变色龙,从头到尾,色彩从荧光黄逐渐转变为青草绿,然后过渡到夜空般璀璨的幽蓝色。就像刁莹自己的人生轨迹一样,既变化多彩,又自然而然。

刁莹团队打印出的变色龙。图源:刁莹团队论文“Direct-Ink-Write Crosslinkable Bottlebrush Block Polymers for On-the-fly Control of Structural color”

结构色点亮儿时梦想

刁莹年少求学期间常去自然历史博物馆,观察绚丽的蝴蝶翅膀及其在显微镜下的微观结构。她发现,与服装、图画、花草等的颜色不同,蝴蝶翅膀的美感格外灵动,在不同光线和不同角度下,会表现出不同的色彩和光泽。所谓流光溢彩,大概就是形容这样的美丽。

长大一些后,刁莹学到了一个术语:结构色。我们眼中看到的颜色,可以分为化学色素色和物理结构色两大类。孔雀羽毛、蝴蝶翅膀、变色龙的皮肤表面呈现出的色彩,都是结构色的典型代表。与静态化学色素色(基于分子对光的选择性吸收)不同,结构色是由微纳米物理结构与自然光之间的散射、干涉和衍射等互相作用产生的。多数可以“变色”的事物,都拥有结构色。

刁莹被结构色的神奇特性迷住了,“研究结构色是我从儿时就有的梦想”。

这次发表在PNAS上的论文,正是受到了变色龙的启发。

“我们设计的墨水材料,就和变色龙是一样的。”刁莹向《中国科学报》解释,该材料是一种可光交联的瓶刷嵌段共聚溶液(c-BBCP),表面就像毛刷一样,能形成层状的结构。

把这种材料作为油墨从3D打印头中挤出后,油墨中的结构会受蒸发驱动进行自组装,结构层会不断变厚。而不同厚度的结构在白光照射下,会呈现出不同的结构色。

如果不进行额外的干预,油墨从溶液蒸发到固态,颜色会呈现从蓝到红的变化。如果在这个过程中引入紫外线进行辐照,颜色就会定格。刁莹的学生还在偶然中发现,定格的颜色取决于紫外线光照强度。

在多次试验后,刁莹团队依据这一原理,改进、设计出了具有紫外线辐照能力的直接墨水写入式3D打印设备。这样,通过在3D印刷过程中动态调节紫外光辐照度,就可以将单一颜色变成彩色光谱。我们看到的变色龙,就是这样打印出来的。

在微观层面有效控制三维打印,一直是个技术难题。而刁莹团队研发的新技术,不仅实现了纳米尺度下的结构自组装控制,还能实现多彩结构色打印,在3D打印领域是一项开创性的技术。

更让刁莹欣慰的是,这还是一种环境友好的“可持续”技术。她对童年的回忆里,总少不了冬季烧煤时的滚滚黑烟和呛人气味,因此她一直希望能通过自己的研究,为环境保护事业尽一份力量。

传统化学染料中的聚苯环结构,会造成严重的水污染。而结构色相对于染料色来说,不依赖聚苯环结构,有助于实现相关工业的可持续发展,降低环境保护的成本。

目前的技术,变色只发生在打印过程中,一旦打印完成后,就不能再变色了。刁莹期待着,继续开发出更先进的结构色技术,比如制造出真正的变色材料。

“想想看,你拽一下衣服,或者弯下了腰,改变了分子组装的结构,衣服的颜色就会改变。这会不会影响时尚与审美?”她笑着说,“又或者,把变色材料与人工智能技术结合起来,也许我们也能拥有像变色龙一样,随着环境改变色彩的服装。”

头脑风暴出灵感

这项工作的灵感,是刁莹和几位同事聚在一起,为申请美国自然科学基金而头脑风暴时出来的。

在伊利诺伊大学,“重视团队合作”的理念深入骨髓。“学校特别鼓励大家聚在一起,十几个、二十几个不同专业的老师一起合作,去实现那种很疯狂的想法,那种high risk high reward(高风险、高回报)的想法。因为很多时候,这种想法只有人们聚在一起才能实现,任何人单打独斗都实现不了。刁莹兴奋地说。

本次研究就是4位研究人员一起合作完成的。Damien Guironnet设计材料;刁莹进行3D打印技术的设计改装;Simon Rogers用实验测量分子组装速度;Charles Sing则通过计算模拟分子自组装过程,解释自组装机制。

“就像八仙过海,各显神通——我们四个在一起合作,不仅发明了新技术,也创造了新材料,提出了新机制,发展了新理念。”刁莹自豪地说。

刁莹指导博士生。受访者供图

在被问到有什么科研经验可以分享时,刁莹脱口而出:“Playfulness(好玩)!

“就是像一个小朋友在外面玩耍一样。要有这样自由探索的精神和好奇心才能发现新的现象,产生新的突破。”她说。

“自由探索”“感兴趣”,在短短的访谈中,多次出现在刁莹的讲述中——既描述了她的科研经历,也侧写了她的人生态度。

多彩多变的神奇履历

刁莹的学术生涯令人印象深刻。

她的家乡是大兴安岭林海深处的加格达奇区。它位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂伦春自治旗境内,却又隶属于黑龙江省大兴安岭地区,人们给这种特殊的人文地理现象取了一个特别的名字:“飞地”。

长于一个偏远的小山区,小时候的刁莹对外面的世界并不熟悉。直到上中学时,大庆铁人中学非常有名的曲安均老师看到她的成绩,便把她招去参加物理竞赛。高考时,她以优异的成绩从铁人中学考入beat365中国在线体育化工系。

从这一刻起,她的人生轨迹完全转向了。

刁莹天生就对数理化很感兴趣,这种浓厚的兴趣指引着她在学术道路上不断探索。

beat365中国在线体育毕业后,她进入麻省理工学院,并在这里拿到了博士学位。当时她学习的是制药专业,但就在读博期间,著名华裔女科学家、斯坦福大学教授鲍哲南来到麻省理工学院做讲座,鲍哲南所描述的电子柔性材料领域,让刁莹产生了深深的向往。讲座后不久,刁莹便联系了鲍哲南教授,并经过面试成为她实验室的一名博士后。

“鲍老师收了跨领域求学的我。她认为我不同的视角可以给柔性电子课题带来新的想法。”刁莹回忆道。

从化工专业到制药专业,再到电子柔性材料专业,刁莹的百变人生还在继续。进入伊利诺伊大学贝克曼研究所后,她又投身于高分子自组装和打印的研究。频繁地转换研究领域并没有成为她研究路上的阻碍,2021年,她升任伊利诺伊大学副教授,2023年还获得了伊利诺伊大学“University Scholar(大学杰出学者)的荣誉称号。

刁莹获得伊利诺伊大学“University Scholar(大学杰出学者)荣誉称号,团队为她庆贺并合影留念。受访者供图

这样的履历,就像那些流畅地变换着色彩的3D打印作品,丝滑转场、螺旋上升,追逐着自己的爱好与梦想,谱写出绚丽明媚的人生。

她笑着说:“如果你想做,事情就会做成;如果你想学,你就能学会。”

刁莹团队3D打印出的星空图。受访者供图


参考文献:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313617121



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