果蔬纖維素，竟能做成眼影中的亮片？而且顏色之絢麗絲毫不輸人造品。

“一開始材料是透明的看不到顏色，所以我覺的很沮喪。而下面這張照片，正是我們第一次做出顏色的照片?！毕嚓P(guān)論文的第二作者梁欣伶表示。

相關(guān)論文以《大規(guī)模制造結(jié)構(gòu)有色纖維素納米晶體薄膜和效果顏料》為題，發(fā)表在《自然·材料》期刊上。

“來自水果盤”的天然閃光片

研究中，劍橋大學(xué)工程系梁欣伶和該?；瘜W(xué)系團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)出一種方法：從植物、水果和蔬菜細(xì)胞壁的主要組成部分——纖維素中，提取并制造出一種全新環(huán)保發(fā)光材料，其具備無毒、可持續(xù)、可生物降解等優(yōu)點，并能和原始發(fā)光材料一樣閃閃發(fā)光。

據(jù)了解，該團(tuán)隊多年來一直致力于從木漿中提取纖維素，并將其轉(zhuǎn)化為有光澤、色彩豐富的材料，以用于替代油漆和化妝品等眾多消費(fèi)品中使用的有毒色素，在相應(yīng)技術(shù)上已有較多積累。

據(jù)介紹，這種發(fā)光材料由纖維素納米晶體制成，發(fā)光原理在于通過層狀納米結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)的可見光波長段產(chǎn)生繞射效應(yīng)，從而產(chǎn)生閃亮的顏色。

類似現(xiàn)象也存在于大自然中，比如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛都會發(fā)出光彩，即便經(jīng)歷一百年也不會褪色。舉例來說，巴西大藍(lán)閃蝶的翅膀本身是無色的，但它利用鱗粉特殊結(jié)構(gòu)即可反射自然光，借此可表現(xiàn)出湛藍(lán)的金屬光澤。

圖片上的3個小瓶里，包含著一組光子纖維素納米晶體粒子，它們分散在3種不同的溶劑中。所有瓶子里的粒子都是相同的，之所以有顏色差異是因為水會引起粒子結(jié)構(gòu)膨脹，因此會帶來顏色上的差異性。

水分含量越高，納米結(jié)構(gòu)的膨脹越大，反射更長波長的可見光（如紅光），因此粒子顏色也會隨之發(fā)生變化。如下圖，這是對發(fā)光材料的更大角度的特寫，在一塊玻璃載玻片上，在高照明燈光之下，金色的片狀物閃閃發(fā)光。

用卷到卷技術(shù)進(jìn)行制備大規(guī)模

研究中面臨的挑戰(zhàn)是控制實驗條件，以便可同時管理所有的物理-化學(xué)作用，從而將成品尺寸從實驗室制造的厘米級擴(kuò)展到工業(yè)用制程的米級，最終實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

在該研究中，借助商用卷到卷的涂層單元上，他們研發(fā)出了這款商用纖維素納米晶體懸浮液。并通過優(yōu)化自組裝過程的涂層參數(shù)，在整個可見光譜中制造出具有可調(diào)顏色的一米尺度的結(jié)構(gòu)彩色薄膜。

隨后，他們證明了這些結(jié)構(gòu)彩色的卷到卷鑄膜，可被加工成生動的、水穩(wěn)定的光子纖維素納米晶體微粒，從而能作為一種可持續(xù)效果顏料或閃光片。

具體來說，使用中試尺度的卷到卷涂層單元，可生產(chǎn)出大面積的光子纖維素納米晶體薄膜和顆粒，其中纖維素納米晶體水懸浮液沉積之后，并在移動的聚合物襯底上干燥和分層之后，可被加工成結(jié)構(gòu)彩色的纖維素微粒。

該過程可分為幾個關(guān)鍵步驟：首先，在薄網(wǎng)中心部分進(jìn)行電暈放電以便激活表面，借此還可增加疏水聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）涂層基板的表面能，從而促進(jìn)低粘度纖維素納米晶體水懸浮液的潤濕。

這一步也可讓懸浮液釘固下來，從而將其限制在薄網(wǎng)的親水疏水邊界內(nèi)，并防止懸浮液在沉積區(qū)域外不受控制的流動。然后，通過一個在線槽模具，來實現(xiàn)數(shù)控懸架的沉積，并對涂層進(jìn)行連續(xù)性控制。

在沉積之后，涂層網(wǎng)可在靜態(tài)環(huán)境下得到干燥，也可通過卷到卷路徑，通過熱空氣干燥器來縮短干燥時間。使用空氣干燥器的好處在于，后者可實現(xiàn)一個逐步連續(xù)的沉積過程。

下圖顯示了在環(huán)境條件下，通過靜態(tài)干燥獲得的黑色苯二甲酸乙二醇酯網(wǎng)上的紅色、綠色和藍(lán)色纖維素納米晶體薄膜的例子。

此外，還可使用刀片從網(wǎng)上剝離薄膜，從而獲得獨立的薄膜。這種數(shù)控薄膜可以經(jīng)過熱處理，研磨削和尺寸分選，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)顏色的顆粒，從而應(yīng)用于閃光顏料。

如圖， 這張照片顯示了一層纖維素納米晶體薄膜，它被成功地從其基底上剝離， 并被放置在黑色背景上。

作為原料的纖維素材料， 也可在市面上購買到， 經(jīng)過優(yōu)化步驟即可轉(zhuǎn)化為合適的液體懸浮液， 研究中該團(tuán)隊展示了連續(xù)沉積的含有纖維素的懸浮液。

在大規(guī)模制備出纖維素薄膜后，該團(tuán)隊把它們磨成用于制造閃光劑或效果顏料的顆粒。研究中，梁欣伶主要負(fù)責(zé)大面積生產(chǎn)制造，即使用相關(guān)生產(chǎn)方法去進(jìn)行量產(chǎn)化。

通過優(yōu)化纖維素溶液和涂層參數(shù)，該團(tuán)隊已實現(xiàn)完全控制該纖維素納米顆粒自組裝過程，可在機(jī)器上以卷對卷的方式生產(chǎn)該材料，相關(guān)工藝也和現(xiàn)有工業(yè)規(guī)模機(jī)器兼容。

梁欣伶表示，研究中使用纖維素的納米顆粒，基本都可以在市面上買到。把它融在水里，然后用機(jī)器把它做成大面積材料。此前這類研究通常只制造小面積材料，比如幾十公分的面積，不足以進(jìn)行商用。

使用比較工業(yè)化的機(jī)器，做成比較大面積的，從而節(jié)省生產(chǎn)成本。使用纖維素制備的納米晶體薄膜，可以卷對卷的方式進(jìn)行大規(guī)模制造，就像用木漿造紙一樣。據(jù)悉，這也是該材料首次以工業(yè)規(guī)模被制造出來。

由于已實現(xiàn)量產(chǎn)，以前在實驗室制備該材料，涂布一米需以小時計，且無法做下游連續(xù)式制程，而做出同樣產(chǎn)量該團(tuán)隊只需一分鐘或更短。傳統(tǒng)的亮片材料會用到塑膠和鋁片，對生物環(huán)境和海洋有很大的污染。假如不使用合成塑膠，如目前坊間號稱的生物性亮片，為了達(dá)到亮度，通常使用云母來增加光的反射性。

云母是很稀缺的礦產(chǎn)，提取往往發(fā)生在發(fā)展中國家，其生產(chǎn)過程可能仍然存在依賴剝削勞工、甚至雇傭童工等問題。傳統(tǒng)上，必須在高達(dá)800攝氏度的溫度下加熱，色素礦物才能形成色素顆粒。

考慮到全球都在產(chǎn)生礦物效應(yīng)色素，因此會給地球帶來極大的污染。而此次使用材料，它本身的反射性很強(qiáng)，被光一照就會很亮，光彩度足以滿足商業(yè)需求。同時，它又是自然界的植物材料，無需添加任何其他物質(zhì)。

化妝品行業(yè)有望被徹底改變

該研究要解決的問題在于，很多化妝品和玩具都會用到閃光粉，常見閃光粉除了不容易清洗，還會危害健康。卸妝之后，它會以各種方式進(jìn)入土壤和海洋，進(jìn)而加劇地球污染水平。

要知道它由不可降解材料制成，因此并不具備可持續(xù)生產(chǎn)能力， 故會帶來塑料污染。近年來，隨著人們環(huán)保意識的提高，大家也開始意識到，盡管閃光片很有趣但也確實對環(huán)境有害。而材料環(huán)保正是該研究的最大出發(fā)點，該材料來自大自然，對環(huán)境的傷害非常小。

不過，此前學(xué)界研究這種高性能材料已有二三十年，此前一直沒有辦法把它大面積量產(chǎn)化，而該研究真正實現(xiàn)了可大量制備。并且，該團(tuán)隊利用自組裝技術(shù)，來讓纖維素產(chǎn)生色彩絢麗的薄膜，這種材料可替代化妝品中常用的的塑料閃光顆粒和微小礦物效應(yīng)顏料。以研究人員所在的歐洲為例，每年歐洲化妝品行業(yè)要使用約5500噸塑料微粒。

該材料除了更環(huán)保，還可做到在水溶性和非水溶性之間做選擇。原始材料會融在水里，如果給它加熱，就會變成非水溶性。此前，市面上有些化妝品材料比如眼影，使用時有時搞得哪里都是，而且還洗不掉。而這類材料可被快速用熱水清洗掉，無需使用其他卸妝品?，F(xiàn)在該團(tuán)隊使用的機(jī)器還是比較小，并不算是真的商業(yè)化機(jī)器。未來，他們將考慮研發(fā)新的生產(chǎn)機(jī)器。

目前，一些歐洲知名化妝品公司已與該實驗室探討此次成果的落地應(yīng)用。該團(tuán)隊計畫創(chuàng)辦一家公司專門孵化本次成果，并已申請到相關(guān)專利。

他們相信， 通過提供這種完全可持續(xù)的、可生物降解的素食色素和亮片，化妝品行業(yè)有望被徹底改變。雖然這一過程還需要優(yōu)化，但該團(tuán)隊計劃于近期成立一家公司，擴(kuò)大合作，以便在未來將這種閃光材料商業(yè)化，將該材料帶進(jìn)尋常百姓家。