这篇Nature Materials很有商业价值直接做了一条工业出产线！

  现在，人们正在深化寻觅更多可继续出产作用颜料和功用纳米资料的办法，以替代无机和合成聚合物组分。在这种布景下，纤维素纳米晶（CNCs）自拼装成结构有色薄膜引起了科学界和其他范畴的极大爱好，成为出产更可继续的光子颜料的潜在候选者。但是，虽然人们对调控纳米级CNCs自拼装的要害进程现已取得了极大发展，能够完成广泛的光学运用，而且现在现已有几家公司可很多供给纳米纤维素，缺少可扩展的办法来出产大面积五颜六色CNC膜依然是其商业化开发的瓶颈。运用卷对卷（R2R）办法堆积CNC悬浮液能够出产通明薄膜，但是，迄今为止，这种技能还无法出产具有发生结构色所需的胆甾相有序的薄膜。此外，通过小批量出产无法取得和处理与大规划出产相关的应战。

  近来，剑桥大学Silvia Vignolini报导了战胜了这些应战，并展现了一条与工业相关的道路R涂布设备上浇注商用CNC悬浮液来扩展结构五颜六色薄膜的出产。通过优化影响自拼装进程的镀膜参数，制备了在整个可见光光谱范围内颜色可调的米级结构五颜六色薄膜。终究，展现了这些结构上有色的R2R-Cast薄膜能够加工成生动的、水安稳的光子CNC微粒，这些微粒能够用作可继续的作用颜料或亮光剂，用于广泛的运用。

  研讨人员运用中试规划的R2R涂布单元出产大面积光子CNC薄膜和颗粒，将含水的CNC悬浮液堆积在移动的聚合物基板(“网”)上，然后烘干，然后分层以进一步脱机加工成具有结构色的纤维素微粒。这一进程能够分为几个要害进程（图1a），

  首要，在腹板的中心部分进行电晕放电以激活外表（图1b），这添加了疏水性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)网的外表能，然后促进了随后低粘度水性CNC悬浮液的潮湿。然后通过将纸幅平移通过直插式狭缝模具来完成CNC悬浮液堆积，然后取得接连的、可控的涂层（图1c）。堆积后，涂层纸幅既能够在环境条件下静态枯燥（图1d），也能够穿过R2R途径通过加热室(热风枯燥器)，以缩短枯燥时刻（图1k），后者能够完成分步接连堆积进程（图1e）。图1g显现了一种在环境条件下通过静态枯燥取得的黑色PET卷筒纸上的赤色、绿色和蓝色CNC薄膜。此外，如图1h所示，可运用刀片将生成的米级CNC膜从卷筒纸上剥离，以取得独立的膜（图1f）。这类CNC薄膜能够通过热处理、研磨和规范分选，以发生结构色颗粒，这些颗粒能够用作亮光剂（图1i）或作用颜料（图1j）。

  终究R2R薄膜质量的要害槽模堆积参数能够在更小的规范上进行相似的操控，基于此，研讨人员首要在实验室规划的刀片涂布机上进行了优化。值得注意的是，迄今为止，无论是槽模堆积仍是叶片铸造堆积都没有被用于出产结构色的CNC薄膜。关于这两种堆积办法，影响所得到的CNC膜的光学外观的要害参数是涂层空隙gc和涂层速度vc。为了研讨它们的影响，研讨人员首要优化了CNC悬浮液在刮刀涂布机上的堆积。独自调整gc和vc会在堆积进程中导致不同的厚度和剪切速率，这或许会影响胆甾相结构的初始有序性，并影响枯燥时自拼装的动力学。为了将这两种影响解耦，研讨人员研讨了固定剪切速率下gc和vc的影响γ=vc/gc，然后通过考虑反射峰方位的强度和其宽度来评价光学呼应的质量。

  如图2a所示，在相同的CNC悬浮液（6 wt%，超声2.24s ml-1）和安稳剪切速率γ=2.2 s−1的状况下，一切状况下都能发生微观上均匀的蓝色外观的叶片铸造膜。而更大的gc（这里是更高的vc）会导致更大的薄膜厚度（关于gc≥900 µm和vc≥2.0 mm s-1，最大厚度到达14 µm）。重要的是，如图2b,c所示，gc=700 µm和vc=1.5mm s-1的薄膜在厚度仅为10.5 µm的状况下到达了最大可取得的反射率。

  研讨人员通过对相同的初始CNC悬浮液（图3a）施加添加的顶级超声处理来制备蓝色、绿色和赤色叶片浇铸的CNC薄膜。相同，关于薄片浇铸薄膜，添加输送到悬浮液的总超声能量会导致峰值加宽，一起最大反射率下降，后者在最长的超声处理中特别显着（图3b）。

  为了进步出产率，大多数工业R2R铸造工艺都运用各种办法来进步所用溶剂的蒸腾率，例如通过运用额定的熔炉或在涂布阶段下流运用热气流来进步温度。为了了解高温对自拼装进程的影响，将堆积的悬浮液放在60 °C的热板上，并监测终究薄膜的枯燥时刻和光学质量。在这种条件下，五颜六色薄膜在大约20 min内发生（在室温下为5.5小时；图3a）。与在环境条件下枯燥比较，这种极快的蒸腾速率导致了薄膜中颜色的不均匀性，反射峰削弱了约30%（图3b），而且略有红移。

  初始CNC配方的优化和堆积条件的校准随后被转化为中试规划的R2R体系，然后能够出产具有共同赤色、绿色和蓝色结构色的米级CNC涂层（图1f）。为了出产这些薄膜，堆积的CNC悬浮液在蒸腾枯燥进程中需求坚持中止。为了战胜这一工程约束并展现光子CNC薄膜的接连出产，研讨人员对R2R工艺进行了改善，包含在线热风枯燥器(以加快蒸腾)和阶梯式平移(以下降卷筒纸的有用堆积速度)。与“静态枯燥”不同的是，这种“逐步接连”的进程能够战胜卷筒纸途径有限长度的约束，一起坚持杰出的光学质量（图4）。而在工业R2R涂布机中，一般通过串联更多的枯燥设备来处理这些枯燥时刻问题。

  通过运用精密的进程，卷筒纸的平移近似于以较低的有用速度不间断地堆积，战胜了R2R机器上最低平移速度的约束。重要的是，这种精密的、中止-开端涂布的办法没有导致所得薄膜的显着不接连性。通过改动热风枯燥器的温度从20 °C到60 °C，能够评价加快枯燥与生成的CNC薄膜的光学功能之间的相互作用。如图4b所示，一切条件下都能发生具有杰出光学对准的蓝色薄膜。因而，通过进步温度来缩短枯燥时刻会导致小的红移和削弱的光学呼应（图4c）。考虑到厚度的差异，阶梯式薄膜具有与静态枯燥的薄膜适当的反射率。因而，在60 °C下选用精密进程工艺出产的薄膜坚持了杰出的光学外观，一起枯燥速度足够快，能够接连不间断地制备。

  图4. 在线热风枯燥机静态和接连平移R2R浇注的CNC薄膜的光学特性。

  研讨人员终究通过顺次选用热处理、研磨和规范分选来发生均匀直径在几十到数百微米范围内的片状颗粒(图5)，将独立薄膜进一步加工成可用作作用颜料和亮光剂的具有结构颜色的微粒，突出了这种可扩展R2R工艺的工业含义。这处理了现在此类颗粒商业化所需的产值和颜色规范方面的约束。取得的最大颗粒的光学呼应可与前身R2R-Cast薄膜相媲美，而最小颗粒在肉眼可见颜色的一起，呈现出较弱的反射峰（图5b）。

  研讨发现，在研磨前对R2R-Cast薄膜进行热处理（180 °C，30 min）起着要害作用。首要，它能够避免在研磨进程中薄膜外表的退化。扫描电子显微镜（SEM）调查显现，胆甾醇结构没有遭到研磨的损坏（图5d），颗粒外表坚持润滑，具有显着的小平面和锋利的边际（图5c）。这标明研磨进程或许会在缺点鸿沟处损坏不同的胆甾相结构域，而不是不加差异地使薄膜决裂。其次，热处理使微粒愈加安稳，由于它们在浸泡在包含水在内的各种溶剂中后不会从头涣散。与曾经的报导不同，其胆甾体结构对机械和化学加工的耐受性进步，即便在几个月后依然有用。此外，傅立叶改换红外光谱和热重剖析标明，在220°C以下的热处理温度下，纳米晶几乎没有降解。

  图5a总结了光子纳米颗粒与各种溶剂混合物的相容性。绿色CNC颗粒，通过研磨绿色的R2R-Cast薄膜制成，与在空气中比较，在乙醇中浸泡后没有显着的颜色改变，图5b中陈述的反射光谱证明了这一点。这些调查结果标明，乙醇中没有显着的溶胀。相反，在1：1(质量比)的乙醇和水的混合物或纯水中浸泡颗粒别离导致红移100 nm和175 nm，与跟着溶剂极性的添加而逐步胀大共同（图5a,b）。

  1）研讨人员通过接连的R2R涂层技能优化了将CNC悬浮液自拼装成光子薄膜的进程。这使得能够制作具有杰出光学呼应的米级结构五颜六色CNC膜。

  2）研讨发现，通过进一步的热处理后，研磨得到的薄膜颗粒能够用作作用颜料和亮光剂。重要的是，即便在水中，这些颗粒在一年后也不会褪色或从头涣散，依然坚持着它们的光学呼应。

  这项作业标明，自拼装的生物源纳米资料能够成功地与高通量技能（如R2R浇铸）相结合，然后制备出大规划的、具有结构颜色的纤维素薄膜。研讨人员估计，这一进程的工业特点，，将激起人们对环保光子颜料商业开发的爱好，以替代油漆、油墨、化妆品、饮料、标签和包装中不行生物降解的微塑料亮光和不行继续或不道德出产的无机作用颜料。