一路名校、數次轉專業，華人教授發表驚艷論文

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/3/519683.shtm

刁瑩出生在大興安嶺林海深處的加格達奇區——一片外人很少聽說的“飛地”。

如果時光倒流，沒人會想到，這個來自偏遠山區的女孩，會一路走過清華大學、美國麻省理工學院、斯坦福大學，直到成為美國伊利諾伊大學貝克曼研究所的一名教授，在化工專業、制藥專業、柔性電子研究、高分子自組裝研究等不同專業間絲滑轉場，把自己的名字寫在國際頂尖學術期刊上。

近日，刁瑩在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表了最新研究成果：一種叫做“單一墨水3D打印多種色彩”的新技術。

國外媒體報道這項成果時的配圖令人印象深刻：一只可愛的小變色龍，從頭到尾，色彩從熒光黃逐漸轉變為青草綠，然后過渡到夜空般璀璨的幽藍色。就像刁瑩自己的人生軌跡一樣，既變化多彩，又自然而然。

刁瑩團隊打印出的變色龍。圖源：刁瑩團隊論文“Direct-Ink-Write Crosslinkable Bottlebrush Block Polymers for On-the-fly Control of Structural color”

結構色點亮兒時夢想

刁瑩年少求學期間常去自然歷史博物館，觀察絢麗的蝴蝶翅膀及其在顯微鏡下的微觀結構。她發現，與服裝、圖畫、花草等的顏色不同，蝴蝶翅膀的美感格外靈動，在不同光線和不同角度下，會表現出不同的色彩和光澤。所謂流光溢彩，大概就是形容這樣的美麗。

長大一些后，刁瑩學到了一個術語：結構色。我們眼中看到的顏色，可以分為化學色素色和物理結構色兩大類。孔雀羽毛、蝴蝶翅膀、變色龍的皮膚表面呈現出的色彩，都是結構色的典型代表。與靜態化學色素色（基于分子對光的選擇性吸收）不同，結構色是由微納米物理結構與自然光之間的散射、干涉和衍射等互相作用產生的。多數可以“變色”的事物，都擁有結構色。

刁瑩被結構色的神奇特性迷住了，“研究結構色是我從兒時就有的夢想”。

而這次發表在PNAS上的論文，正是受到了變色龍的啟發。

“我們設計的墨水材料，就和變色龍是一樣的。”刁瑩向《中國科學報》解釋，該材料是一種可光交聯的瓶刷嵌段共聚溶液（c-BBCP），表面就像毛刷一樣，能形成層狀的結構。

把這種材料作為油墨從3D打印頭中擠出后，油墨中的結構會受蒸發驅動進行自組裝，結構層會不斷變厚。而不同厚度的結構在白光照射下，會呈現出不同的結構色。

如果不進行額外的干預，油墨從溶液蒸發到固態，顏色會呈現從藍到紅的變化。如果在這個過程中引入紫外線進行輻照，顏色就會定格。刁瑩的學生還在偶然中發現，定格的顏色取決于紫外線光照強度。

在多次試驗后，刁瑩團隊依據這一原理，改進、設計出了具有紫外線輻照能力的直接墨水寫入式3D打印設備。這樣，通過在3D印刷過程中動態調節紫外光輻照度，就可以將單一顏色變成彩色光譜。我們看到的變色龍，就是這樣打印出來的。

在微觀層面有效控制三維打印，一直是個技術難題。而刁瑩團隊研發的新技術，不僅實現了納米尺度下的結構自組裝控制，還能實現多彩結構色打印，在3D打印領域是一項開創性的技術。

更讓刁瑩欣慰的是，這還是一種環境友好的“可持續”技術。她對童年的回憶里，總少不了冬季燒煤時的滾滾黑煙和嗆人氣味，因此她一直希望能通過自己的研究，為環境保護事業盡一份力量。

傳統化學染料中的聚苯環結構，會造成嚴重的水污染。而結構色相對于染料色來說，不依賴聚苯環結構，有助于實現相關工業的可持續發展，降低環境保護的成本。

目前的技術，變色只發生在打印過程中，一旦打印完成后，就不能再變色了。刁瑩期待著，繼續開發出更先進的結構色技術，比如制造出真正的變色材料。

“想想看，你拽一下衣服，或者彎下了腰，改變了分子組裝的結構，衣服的顏色就會改變。這會不會影響時尚與審美？”她笑著說，“又或者，把變色材料與人工智能技術結合起來，也許我們也能擁有像變色龍一樣，隨著環境改變色彩的服裝。”

頭腦風暴出靈感

這項工作的靈感，是刁瑩和幾位同事聚在一起，為申請美國自然科學基金而頭腦風暴時出來的。

在伊利諾伊大學，“重視團隊合作”的理念深入骨髓。“學校特別鼓勵大家聚在一起，十幾個、二十幾個不同專業的老師一起合作，去實現那種很瘋狂的想法，那種high risk high reward（高風險、高回報）的想法。因為很多時候，這種想法只有人們聚在一起才能實現，任何人單打獨斗都實現不了。”刁瑩興奮地說。

本次研究就是4位研究人員一起合作完成的。Damien Guironnet設計材料；刁瑩進行3D打印技術的設計改裝；Simon Rogers用實驗測量分子組裝速度；Charles Sing則通過計算模擬分子自組裝過程，解釋自組裝機制。

“就像八仙過海，各顯神通——我們四個在一起合作，不僅發明了新技術，也創造了新材料，提出了新機制，發展了新理念。”刁瑩自豪地說。

刁瑩指導博士生。受訪者供圖

在被問到有什么科研經驗可以分享時，刁瑩脫口而出：“Playfulness（好玩）！”

“就是像一個小朋友在外面玩耍一樣。要有這樣自由探索的精神和好奇心才能發現新的現象，產生新的突破。”她說。

“自由探索”“感興趣”，在短短的訪談中，多次出現在刁瑩的講述中——既描述了她的科研經歷，也側寫了她的人生態度。

多彩多變的神奇履歷

刁瑩的學術生涯令人印象深刻。

她的家鄉是大興安嶺林海深處的加格達奇區。它位于內蒙古自治區呼倫貝爾市鄂倫春自治旗境內，卻又隸屬于黑龍江省大興安嶺地區，人們給這種特殊的人文地理現象取了一個特別的名字：“飛地”。

成長于一個偏遠的小山區，小時候的刁瑩對外面的世界并不熟悉。直到上中學時，大慶鐵人中學非常有名的曲安均老師看到她的成績，便把她招去參加物理競賽。高考時，她以優異的成績從鐵人中學考入清華大學化工系。

從這一刻起，她的人生軌跡完全轉向了。

刁瑩天生就對數理化很感興趣，這種濃厚的興趣指引著她在學術道路上不斷探索。

從清華大學畢業后，她進入麻省理工學院，并在這里拿到了博士學位。當時她學習的是制藥專業，但就在讀博期間，著名華裔女科學家、斯坦福大學教授鮑哲南來到麻省理工學院做講座，鮑哲南所描述的電子柔性材料領域，讓刁瑩產生了深深的向往。講座后不久，刁瑩便聯系了鮑哲南教授，并經過面試成為她實驗室的一名博士后。

“鮑老師收了跨領域求學的我。她認為我不同的視角可以給柔性電子課題帶來新的想法。”刁瑩回憶道。

從化工專業到制藥專業，再到電子柔性材料專業，刁瑩的百變人生還在繼續。進入伊利諾伊大學貝克曼研究所后，她又投身于高分子自組裝和打印的研究。頻繁地轉換研究領域并沒有成為她研究路上的阻礙，2021年，她升任伊利諾伊大學副教授，2023年還獲得了伊利諾伊大學“University Scholar（大學杰出學者）”的榮譽稱號。

刁瑩獲得伊利諾伊大學“University Scholar（大學杰出學者）”榮譽稱號，團隊為她慶賀并合影留念。受訪者供圖

這樣的履歷，就像那些流暢地變換著色彩的3D打印作品，絲滑轉場、螺旋上升，追逐著自己的愛好與夢想，譜寫出絢麗明媚的人生。

她笑著說：“如果你想做，事情就會做成；如果你想學，你就能學會。”

刁瑩團隊3D打印出的星空圖。受訪者供圖