近年来，光学材料的研究迎来突破，尤其是低折射率材料在纳米尺度上的表现，开始展现前所未有的潜力。新加坡科技设计大学（SUTD）领导的科研团队开发出一种创新的玻璃纳米结构，通过先进的3D纳米打印技术以及独特的材料配方，实现了可见光范围内几乎100%的光反射率。这项成果不仅挑战了长期以来光子学领域对于玻璃材料性能的传统认知，也为光学器件设计和制造方式带来革命性的影响。玻璃作为光学材料的传统印象更多聚焦于其透明性和稳定性，而非高反射率性能。长期以来，为了达到高效的光操控效果，研究者们更多偏向高折射率材料，认为低折射率材料如二氧化硅由于物理特性限制，并不适合用于高性能光子晶体结构开发。然而，SUTD团队的工作颠覆了这一假设。
他们采用了一种名为Glass-Nano的新型光敏树脂，这种树脂通过混合含硅分子与其他光敏有机化合物制成，能够在纳米级别实现极其光滑且高精度的打印效果。不同于以往依赖硅氧化物纳米颗粒的制备方法，Glass-Nano在高温煅烧过程中能够均匀收缩并转变为透明且坚固的玻璃材料，有效避免了传统结构粗糙、颗粒感强等缺陷。这一“打印-收缩”工艺使得最终产物保持了完整的结构形态，纳米特征尺寸可细化至260纳米，远超以往技术水平。SUTD团队专注于制造三维光子晶体，这是一种通过周期性纳米结构设计来选择性反射特定波长光的人工材料。光子晶体的性能关键在于其极高的结构均匀性与精确性，只有达到足够的规整才能诱发强烈的光子禁带效应，从而实现高效反射。此前，低折射率材料3D光子晶体由于制备工艺及材料限制，其反射率往往低且不稳定，难以获得实用性能。
通过多层（超过20层）的紧密叠加设计与精细几何调控，团队成功实现了结构严密的钻石形光子晶体，实现了几乎全波段的可见光反射覆盖，并能在较广范围的入射角度下维持稳定的高反射率。相关光学测量数据与理论模拟高度吻合，甚至检测到了细微的光谱反射特征，这些细节恰好对应了光子晶体内波动模式的预测结果，印证了结构设计的科学性和制造工艺的可靠性。值得一提的是，纳米尺度上的大表面积与体积比优势有助于提高结构在高温处理过程中的形变抗力。专门设计的含硅多交联剂配方不仅提高了光敏树脂的打印性能，还保障了成型后材料的机械强度和热稳定性，使得热收缩过程中的整体形状和细节得到完美保存。这一突破性技术的应用前景极其广阔。高反射率的玻璃光子晶体不仅能够替代传统基于颜料的色彩呈现，带来更为环保且稳定的结构色效果，还可广泛运用于低功耗的显示技术、智能传感器、光通信器件以及未来的拓扑光子系统中。
未来，科研团队计划将Glass-Nano平台拓展至功能复合材料，融合发光、非线性光学等特性，并探索更快的大面积打印技术，推动从实验室走向工业制造。玻璃纳米结构的创新发展不仅提供了一个高效操控光的全新载体，也为3D光子器件设计树立了新标杆，开辟了低折射率材料在纳米光子学和光子电子学中的新天地。随着技术的不断成熟，基于玻璃纳米结构的高性能光学元件将在现代科技如可穿戴电子、集成光学和智能光学传感等领域发挥重要作用。整体来看，这一技术突破颠覆传统对玻璃材料光学局限的认知，强调了材料结构均匀性和纳米制造工艺在性能实现上的关键作用。未来光子学的发展将兼顾材料创新和结构设计，使光学设备不仅更高效环保，也更具智能化和多功能性，为科学与工业应用打开更广阔的视野。
