玻璃纳米结构反射几乎所有可见光，颠覆常识
玻璃新结构能反射几乎全部可见光，挑战传统光学认知。
玻璃的纳米级3D打印
过去几十年里，玻璃一直是光学系统的老伙计，以其透明、稳定、易加工的特性广泛应用。但一旦来到纳米尺度，它通常被认为太“软弱”，不适合制造高性能的光子器件。在这个领域，人们更偏爱折射率更高的材料。然而，新加坡科技设计大学的Joel Yang教授团队正在打破这种偏见。
这项研究发表在《Science Advances》上，研究人员用全新的3D打印技术，打造出纳米尺度的玻璃结构，竟然能反射几乎100%的可见光。这种性能在低折射率材料中极为罕见，也为玻璃在纳米光子学中的应用打开了想象空间，比如可穿戴光学设备、一体化显示器和传感器等。
核心突破来自一种新型材料Glass-Nano，这是一种含硅的光固化树脂，由有机光敏分子和含硅前驱体混合而成。与传统使用二氧化硅纳米颗粒的方式不同，这种树脂加热后不会形成粗糙颗粒状，而是能均匀收缩，最终变成结构清晰、坚固透明的玻璃。
研究团队用双光子光刻技术将树脂打印成结构复杂的微观形状，再在650摄氏度下烧结。这个过程中结构会明显缩小，但形状却得以完整保留，最小细节尺寸能达到260纳米。相比传统方法，这种“打印—收缩”流程提供了前所未有的精细度和表面光洁度。
他们的目标是制造一种被称为“光子晶体”的结构。这类材料内部的周期性图案可以选择性地反射某些波长的光，要做到这一点，结构必须极为规则。而此前所有尝试用低折射率材料制造3D光子晶体的努力都效果不佳，反射率低，且形状容易变形。
而这次，研究人员打破了瓶颈。他们连续打印了20多层晶格，并精细调整结构几何，最终造出一种钻石型光子晶体。它不仅在大角度范围内都能高效反射光，而且反射率几乎接近100%。
“结果出乎我们的意料。”论文第一作者、SUTD研究员Wang Zhang说，“以前大家都认为像二氧化硅这样的材料太弱，不可能胜任这种任务。但我们的实验表明，只要结构够精细、够均匀，它的表现可以不输高折射率材料。”
更惊喜的是，他们的实验数据与理论模拟高度吻合。不仅主要的反射峰值准确匹配，甚至一些微小的波动——研究人员原本以为是测量误差——都和模型中预测的驻波特征一一对应。来自丹麦技术大学的Thomas Christensen副教授对此印象深刻，他指出，这种精度非常罕见，代表结构控制达到了极高水准。
这种纳米级的“缩放稳定性”并非易事。宏观物体如果这样收缩，肯定会塌陷。但在纳米尺度上，由于表面积和体积的比例巨大，反而有助于结构保持稳定。Wang Zhang解释说，这种树脂中加入了多种交联剂和含硅前驱体，确保了既能打印精细结构，又能经受住高温考验。
这项成果的意义不止于强反射。由于这种玻璃结构可用标准纳米打印设备制造，未来可以轻松集成到各种光学系统中。它所呈现出的“结构色”，无需颜料，能用于低能耗显示器；也能成为探索新型光子晶体设计的理想试验平台，比如研究螺旋波导或拓扑系统中的稳健边缘态传输。
Christensen指出，这种结构控制能力令人振奋。不仅能精细制造整个光子晶体，还能控制其中每一个单元格，为可见光和通信波段中的波导与光腔实验提供了坚实基础。
接下来，研究团队准备进一步拓展Glass-Nano平台的潜力。他们正在开发可以发光或具备非线性光学特性的混合树脂，同时也在探索更快速、大面积的打印技术，以推动实际应用落地。
Joel Yang教授表示，如今他们已经掌握了在高、低折射率材料中打印高分辨率纳米结构的能力，下一步就是将这些成果应用于更高效的光学系统中，降低传输损耗，提升整体性能。这场玻璃材料的“逆袭”，或许才刚刚开始。
