逛超市时，人们总会被色彩斑斓的塑料制品吸引——无论是饮料瓶的鲜艳包装，还是儿童玩具的明亮色调。然而，这些夺目的颜色背后，隐藏着不容忽视的环保难题。传统塑料的着色主要依赖化学染料，这些染料通常从化石资源中提取，生产过程能耗高，且回收时因配方复杂难以分离。更严重的是，部分染料在使用或废弃后可能缓慢释放有害物质，对生态系统构成潜在威胁。
面对这一挑战，科学家将目光投向了自然界中的“色彩大师”——孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和甲虫鞘翅的绚丽并非来自色素，而是源于微纳结构对光的巧妙调控。这种不依赖染料、仅通过材料内部微观结构反射光线产生的颜色，被称为“结构色”。受此启发，研究人员尝试利用可再生材料模拟这种自然现象，开发出一种无需化学染料即可呈现多彩颜色的新型塑料。
结构色的形成源于光与材料内部周期性排列的微结构相互作用。当光线进入这些结构时，特定波长的光会被选择性反射，从而呈现出鲜艳的色彩。其反射波长与材料的平均折射率、微观螺旋结构的螺距以及光线入射角度密切相关。通过调节这些参数，科学家可以精准控制材料呈现的颜色。例如，羟丙基纤维素（HPC）在特定浓度的水溶液中能自组装形成螺旋叠层结构，螺距越小颜色越偏蓝，螺距越大则越偏红。仅需调整溶液浓度、温度或添加少量成分，即可实现从红色到蓝色的全光谱调节。
尽管结构色在实验室中已展现出巨大潜力，但脱水干燥导致的螺距塌缩问题长期制约其实际应用。溶液干燥时，水分挥发会使体系收缩，螺距急剧减小，最终导致固态膜变为无色透明。近日，一项发表于《美国化学会·纳米》的研究突破了这一瓶颈。研究人员以羟丙基纤维素为基体，引入柠檬酸（CA）作为“锁色剂”。柠檬酸不仅可食用、可生物降解，还能通过多重氢键在干燥过程中“支撑并固定”螺旋结构，防止螺距塌缩，使颜色在固态下依然明亮稳定。实验表明，随着柠檬酸含量增加，螺距线性增大，颜色可覆盖434–691纳米的可见光谱范围。少量食用级乌贼墨的加入进一步提升了色彩饱和度，同时保持了材料的可食用特性。
这种新型材料不仅色彩表现优异，还具备出色的加工性能。流变学分析显示，羟丙基纤维素-柠檬酸水凝体系具有剪切变稀特性，便于通过3D打印或注塑成型制造复杂结构。例如，研究人员利用该材料打印出多彩图案，或通过折纸工艺在高湿环境下塑形，干燥后固定形态。更值得一提的是，材料的颜色可直接由柠檬酸含量调控，同一批原料即可生产出彩虹般的成品，为个性化定制提供了可能。
在环保性能方面，这种结构色塑料实现了真正的闭环循环。废弃后，只需加水搅拌即可重新溶解为溶液，干燥后又能恢复原有性能和颜色，可反复使用。同时，其完全由天然成分构成，在土壤中能逐渐降解，远优于传统塑料如PVC等对环境的长期污染。力学测试表明，该材料的抗拉强度最高可达72兆帕，杨氏模量达1.6吉帕，与商用塑料相当，能够满足日常应用需求。
从食品包装到儿童玩具，从防伪标签到湿度传感器，这种无需染料、可降解且可回收的结构色塑料展现了广阔的应用前景。其色彩调控机制不仅避免了有害染料的使用，还通过材料本身的微纳结构实现了对光的精准操控，为绿色材料设计提供了全新思路。这一突破标志着结构色技术从实验室走向实际应用的重要一步，或许不久的将来，人们将看到更多由自然灵感启发的环保材料走进生活。
