有毒染料的环保替代品：这种新材料真的安全可降解吗？

逛超市时拿起一瓶饮料，或是给孩子挑选喜爱的玩具，你大概率会被其塑料的颜色吸引——鲜艳的红、明亮的黄、深邃的蓝……

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然而，这些好看夺目的颜色背后，却藏着不少环保难题：它们大多来自化学染料与颜料，从化石资源中制备、上色过程能耗高、回收时又因配方各异难以分离；更棘手的是，部分色料还可能在使用或遗弃后缓慢释放，给生态系统带来风险。

不过好在，大自然给出了更巧妙的“上色”提示——结构色。在自然界中，孔雀羽毛、甲虫鞘翅、蝴蝶翅膀的绚丽并非来自色素，而是来自微纳结构对光的结构色。受此启发，研究者尝试让可再生的纤维素衍生物在水中自组装出手性液晶结构，使材料“自身的结构”反射出可见光色彩。

各种颜色的塑料制品（图片来源：作者AI生成）

Part.1

染色思路的新转变：从“颜料色”到“结构色”

我们平时看到的颜色大多来自颜料色，其颜色由颜料分子对光的吸收决定。但自然界中还有另一类颜色，叫做结构色。它并不依赖染料分子，而是由材料内部非常精细、规律的微观结构对光的作用产生的。

当光进入这些有周期性排列的微结构时，会发生“相干散射”：某些特定波长的光会被选择性反射出来，于是我们就看到了鲜艳的颜色。孔雀羽毛、蝴蝶翅膀或甲虫外壳上的绚丽色彩，都是典型的结构色。

孔雀羽毛和蝴蝶翅膀靠自身结构反光（图片来源：作者AI生成）

在物理学上，结构色的反射波长λ与几个因素有关：

n：材料的平均折射率，可以理解为光在其中传播的“速度环境”；

P：所谓的“螺距”，就是微观螺旋结构转一圈的厚度；

θ：光线进入时与螺旋轴的夹角。

它们的关系大致可以写成一个简化公式：λ≈n·P·cosθ。

这意味着，只要调节微观结构的排列方式，就能改变材料所呈现的颜色。并且，结构色不会像化学染料那样轻易褪色，耐久性更强，还能灵活调节，非常适合应用在新型显示、涂层和防伪技术中。

有研究者发现，一种叫做羟丙基纤维素（HPC）的材料在56–60%等浓度水溶液中，可自组装形成“层—层—层”的螺旋叠层微结构。螺距P决定反射中心波长：P越小颜色越偏蓝，P越大颜色越偏红。也就是说，只要改变浓度、温度、添加剂等参数，就可以改变P，实现从红到蓝的色彩调节。

羟丙基纤维素的螺旋液晶结构（图片来源参考文献1）

Part.2

柠檬酸的锁色“魔法”：干燥后仍能保色的新突破

在以往研究中，脱水干燥导致的螺距塌缩是一大传统难题。溶液一旦脱水干燥，水分挥发会导致体系收缩，螺距急剧减小并蓝移至紫外，最终固态膜会变为无色透明，导致结构色消失。

近日，东华大学武培怡教授、侯磊副研究员课题组在《美国化学会·纳米》(ACSNano)发表的一项工作对此做出了突破。

他们以羟丙基纤维素（HPC）为基体，引入了柠檬酸（CA）。这种物质可食用、可生物降解、且能提供多重氢键，能够在干燥过程中“支撑并锁定”手性液晶的螺旋节距，使颜色在固态下依然明亮，并且可随配方线性调谐，覆盖整个可见光谱。

发表在《美国化学会·纳米》的研究（图片来源：参考文献1）

为什么柠檬酸能“锁色”？该研究引入柠檬酸（CA）这一强多重氢键供体。量子化学分析显示，与醇、胺等相比，羧酸与HPC的结合能更低，相互作用更强。实验也证实，只有含羧酸基的小分子能在干燥后保留鲜艳结构色，吻合理论判断。

机制上，柠檬酸分子通过与HPC的醚键、羟基形成氢键，在干燥过程中插入并支撑手性液晶层间，抑制螺距的塌缩，从而把反射波长稳定在可见光区。同时，随柠檬酸含量增加，螺距可线性增大，实现颜色线性可调，实测能覆盖约434–691nm的可见光谱范围。

HPC/CA水溶液在空气干燥前后的示意图（图片来源：参考文献1）

为提高结构色的饱和度与可读性，该研究在配方中少量加入食用品级乌贼墨作为宽带吸收体，削弱杂散反射，提升对比度，同时保持“可食用”特性。

用天然材料制备“结构色 HPC 塑料”的思路与优势（图片来源：参考文献1）

更重要的是，这种材料还有利于加工。流变结果显示，羟丙基纤维素-柠檬酸水凝体系呈剪切变稀特性（中段平台+两端剪切变稀），说明柠檬酸不破坏手性液晶形成并利于挤出/打印成形，为后续3D打印与注塑提供工艺基础。

HPC的手性液晶自组装提供了“结构生色”的基础，柠檬酸通过强氢键在分子层面稳定并放大螺距，把反射中心固定在可见光区，实现无染料、线性可调、固态保色的结构色塑料。

Part.3

从实验室走向大众生活：技术突破与应用前景

相比传统实验室演示性质的结构色材料，这项研究才真正让它走向了“可用”。

首先，在性能上，HPC/CA塑料展现出媲美商用塑料的力学指标，抗拉强度最高可达72 MPa，杨氏模量达1.6 GPa。这意味着它不仅好看，还能够满足日常应用对强度和韧性的基本需求。

其次，在加工工艺上，这种材料与现有制造方式高度兼容，既可以像墨水一样进行3D打印，也能通过注塑成型得到复杂三维结构，甚至还能在高湿环境下进行折纸式成型，干燥后固定形态。而配方中的柠檬酸含量可以直接决定颜色，类似于一个天然调色盘，同一批原料就能做出彩虹般的成品。

HPC/CA 塑料可通过 3D 打印、注塑和折纸等多种方式加工成不同形状和结构色图案（图片来源：参考文献1）

而在循环与环保方面，这种塑料实现了闭环。服役结束后，只需加水搅拌即可重新变回溶液，干燥后又能得到几乎相同性能和颜色的新材料；同时，它完全源于天然成分，在土壤中能逐渐降解，远优于PVC等常见塑料。

未来，它的应用前景也相当广阔：避免了有害染料，塑料材质的食品包装和儿童玩具更安全；材料的湿度响应与角度变色特性赋予的额外功能，能让其在防伪和传感领域大有作为。

以羟丙基纤维素为基、借助柠檬酸的多重氢键“插层与锁定”，研究者把液相中的手性液晶有序延续到固态，获得线性可调、明亮稳固的结构色，同时将力学强度推到商用品质的区间，并与现有3D打印和注塑工艺顺畅衔接。结构色不再只是实验室的“炫技”，而是具备工程落地性的材料方案。

Part.4

未来可期：颜色背后的绿色革命

或许你会疑惑，我们为什么要这么关心塑料的颜色？因为色彩从不仅仅只是装饰，更牵动着资源消耗、环境排放与回收体系的复杂平衡。

从“颜色靠染料”到“颜色靠结构”，这一思路的转变，实质上是把材料科学与可持续理念相结合，让材料自身的微纳结构去选择性反射可见光，从源头减少染料的生产与使用成本、毒性与回收干扰。

东华大学团队的这项研究成果，不仅是一项技术突破，更为“无染料、可降解、可回收”的彩色塑料提供了现实路径，展示了未来绿色材料设计的方向。

参考文献：

[1] Ma, Xu, et al. "Edible Structurally Colored Plastics." ACS nano (2025).

出品：科普中国

作者：邵文亚、杨超

编辑：（可省）

监制：中国科普博览