化妆品行业有望被改变，80后科学家用果蔬纤维素制成眼影亮片！无毒可降解，实现大面积...
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果蔬纤维素，竟能做成眼影中的亮片？而且颜色之绚丽丝毫不输人造品。
动图 | 天然果蔬纤维素做成的亮片（来源：Nature Materials）
“一开始材料是透明的看不到颜色，所以我觉的很沮丧。而下面这张照片，正是我们第一次做出颜色的照片。”相关论文的第二作者梁欣伶表示[1]。
图 | 第一次做出颜色的材料照片（来源：Nature Materials）
11月11日，相关论文以《大规模制造结构有色纤维素纳米晶体薄膜和效果颜料》（Large-scale fabrication of structurally coloured cellulose nanocrystal films and effect pigments）为题，发表在《自然·材料》期刊上。
图 | 相关论文（来源：Nature Materials）
“来自水果盘”的天然闪光片
研究中，剑桥大学工程系梁欣伶和该校化学系团队发现出一种方法：从植物、水果和蔬菜细胞壁的主要组成部分——纤维素中，提取并制造出一种全新环保发光材料，其具备无毒、可持续、可生物降解等优点，并能和原始发光材料一样闪闪发光。
动图 | 天然果蔬纤维素做成的亮片（来源：Nature Materials）
据了解，该团队多年来一直致力于从木浆中提取纤维素，并将其转化为有光泽、色彩丰富的材料，以用于替代油漆和化妆品等众多消费品中使用的有毒色素，在相应技术上已有较多积累。
（来源：Nature Materials）
据介绍，这种发光材料由纤维素纳米晶体制成，发光原理在于通过层状纳米结构与结构尺寸相应的可见光波长段产生绕射效应，从而产生闪亮的颜色。
（来源：Nature Materials）
类似现象也存在于大自然中，比如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛都会发出光彩，即便经历一百年也不会褪色。举例来说，巴西大蓝闪蝶的翅膀本身是无色的，但它利用鳞粉特殊结构即可反射自然光，借此可表现出湛蓝的金属光泽。
（来源：Nature Materials）
图片上的三个小瓶里，包含着一组光子纤维素纳米晶体粒子，它们分散在三种不同的溶剂中：水、乙醇和乙醇。所有瓶子里的粒子都是相同的，之所以有颜色差异是因为水会引起粒子结构膨胀，因此会带来颜色上的差异性。
水分含量越高，纳米结构的膨胀越大，反射更長波長的可見光(如红光)，因此粒子颜色也会随之发生变化。如下图，这是对发光材料的更大角度的特写，在一块玻璃载玻片上，在高照明灯光之下，金色的片状物闪闪发光。
（来源：Nature Materials）
用卷到卷技术进行制备大规模
研究中面临的挑战是控制实验条件，以便可同时管理所有的物理-化学作用，从而将成品尺寸从实验室制造的厘米级扩展到工业用制程的米级，最终实现大规模生产。
在该研究中，借助商用卷到卷的涂层单元上，他们研发出了这款商用纤维素纳米晶体悬浮液。并通过优化自组装过程的涂层参数，在整个可见光谱中制造出具有可调颜色的一米尺度的结构彩色薄膜。
（来源：Nature Materials）
随后，他们证明了这些结构彩色的卷到卷铸膜，可被加工成生动的、水稳定的光子纤维素纳米晶体微粒，从而能作为一种可持续效果颜料或闪光片。
具体来说，使用中试尺度的卷到卷涂层单元，可生产出大面积的光子纤维素纳米晶体薄膜和颗粒，其中纤维素纳米晶体水悬浮液沉积之后，并在移动的聚合物衬底上干燥和分层之后，可被加工成结构彩色的纤维素微粒。
该过程可分为几个关键步骤：首先，在薄网中心部分进行电晕放电以便激活表面，借此还可增加疏水聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）涂层基板的表面能，从而促进低粘度纤维素纳米晶体水悬浮液的润湿。
（来源：Nature Materials）
这一步也可让悬浮液钉固下来，从而将其限制在薄网的亲水疏水边界内，并防止悬浮液在沉积区域外不受控制的流动。然后，通过一个在线槽模具，来实现数控悬架的沉积，并对涂层进行连续性控制。
（来源：Nature Materials）
在沉积之后，涂层网可在静态环境下得到干燥，也可通过卷到卷路径，通过热空气干燥器来缩短干燥时间。使用空气干燥器的好处在于，后者可实现一个逐步连续的沉积过程。
下图显示了在环境条件下，通过静态干燥获得的黑色苯二甲酸乙二醇酯网上的红色、绿色和蓝色纤维素纳米晶体薄膜的例子。
（来源：Nature Materials）
此外，还可使用刀片从网上剥离薄膜，从而获得独立的薄膜。这种数控薄膜可以经过热处理，研磨削和尺寸分选，产生结构颜色的颗粒，从而应用于闪光颜料。
如图，这张照片显示了一层纤维素纳米晶体薄膜，它被成功地从其基底上剥离，并被放置在黑色背景上。
（来源：Nature Materials）
作为原料的纤维素材料，也可在市面上购买到，经过优化步骤即可转化为合适的液体悬浮液，研究中该团队展示了连续沉积的含有纤维素的悬浮液。
在大规模制备出纤维素薄膜后，该团队把它们磨成用于制造闪光剂或效果颜料的颗粒。研究中，梁欣伶主要负责大面积生产制造，即使用相关生产方法去进行量产化。
图 | 梁欣伶（来源：梁欣伶）
通过优化纤维素溶液和涂层参数，该团队已实现完全控制该纤维素纳米颗粒自组装过程，可在机器上以卷对卷的方式生产该材料，相关工艺也和现有工业规模机器兼容。
（来源：Nature Materials）
梁欣伶表示，研究中使用纤维素的纳米颗粒，基本都可以在市面上买到。把它融在水里，然后用机器把它做成大面积材料。此前这类研究通常只制造小面积材料，比如几十公分的面积，不足以进行商用。
使用比较工业化的机器，做成比较大面积的，从而节省生产成本。使用纤维素制备的纳米晶体薄膜，可以卷对卷的方式进行大规模制造，就像用木浆造纸一样。据悉，这也是该材料首次以工业规模被制造出来。
由于已实现量产，以前在实验室制备该材料，涂布一米需以小时计，且无法做下游连续式制程，而做出同样产量该团队只需一分钟或更短。传统的亮片材料会用到塑胶和铝片，对生物环境和海洋有很大的污染。假如不使用合成塑胶，如目前坊间号称的生物性亮片，为了达到亮度，通常使用云母来增加光的反射性。
（来源：Nature Materials）
云母是很稀缺的矿产，提取往往发生在发展中国家，其生产过程可能仍然存在依赖剥削劳工、甚至雇佣童工等问题。传统上，必须在高达 800°C 的温度下加热，色素矿物才能形成色素颗粒。
考虑到全球都在产生矿物效应色素，因此会给地球带来极大的污染。而此次使用材料，它本身的反射性很强，被光一照就会很亮，光彩度足以满足商业需求。同时，它又是自然界的植物材料，无需添加任何其他物质。
（来源：Nature Materials）
化妆品行业有望被彻底改变
该研究要解决的问题在于，很多化妆品和玩具都会用到闪光粉，常见闪光粉除了不容易清洗，还会危害健康。卸妆之后，它会以各种方式进入土壤和海洋，进而加剧地球污染水平。
要知道它由不可降解材料制成，因此并不具备可持续生产能力，故会带来塑料污染。近年来，随着人们环保意识的提高，大家也开始意识到，尽管闪光片很有趣但也确实对环境有害。而材料环保正是该研究的最大出发点，该材料来自大自然，对环境的伤害非常小。
（来源：Nature Materials）
不过，此前学界研究这种高性能材料已有二三十年，此前一直没有办法把它大面积量产化，而该研究真正实现了可大量制备。并且，该团队利用自组装技术，来让纤维素产生色彩绚丽的薄膜，这种材料可替代化妆品中常用的的塑料闪光颗粒和微小矿物效应颜料。以研究人员所在的欧洲为例，每年欧洲化妆品行业要使用约 5500 吨塑料微粒。
（来源：Nature Materials）
该材料除了更环保，还可做到在水溶性和非水溶性之间做选择。原始材料会融在水里，如果给它加热，就会变成非水溶性。此前，市面上有些化妆品材料比如眼影，使用时有时搞得哪里都是，而且还洗不掉。而这类材料可被快速用热水清洗掉，无需使用其他卸妆品。现在该团队使用的机器还是比较小，并不算是真的商业化机器。未来，他们将考虑研发新的生产机器。
（来源：Nature Materials）
目前，一些欧洲知名化妆品公司已与该实验室探讨此次成果的落地应用。该团队计画创办一家公司专门孵化本次成果，并已申请到相关专利。
他们相信，通过提供这种完全可持续的、可生物降解的素食色素和亮片，化妆品行业有望被彻底改变。虽然这一过程还需要优化，但该团队计划于近期成立一家公司，扩大合作，以便在未来将这种闪光材料商业化，将该材料带进寻常百姓家。
-End-
支持：周静昕
1、Droguet, B.E., Liang, HL., Frka-Petesic, B. et al. Large-scale fabrication of structurally coloured cellulose nanocrystal films and effect pigments. Nat. Mater. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41563-021-01135-8
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