武紡徐衛(wèi)林院士萬駿與華科姚永剛︱Nat. Commun.：藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明的光譜解耦

武紡徐衛(wèi)林院士萬駿與華科姚永剛︱Nat. Commun.：藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明的光譜解耦

一、論文信息：

第一作者：朱梓源

通訊作者：萬駿*，徐衛(wèi)林*，姚永剛*

單位：武漢紡織大學(xué)，華中科技大學(xué)

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75174-7

Ziyuan Zhu,a, Hanyuan Zhang,a, Rong Hu,b Yonggang Yao,b,* Weilin Xu,a,* Jun Wana,*, Nat. Commun. 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-75174-7.

二、研究背景：

隨著航空航天裝備、高超聲速飛行器及未來智能隱身平臺的快速發(fā)展，如何同時實現(xiàn)可見光偽裝與紅外隱身，已成為光學(xué)材料領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。傳統(tǒng)隱身材料大多側(cè)重于單一波段調(diào)控，例如通過顏料實現(xiàn)可見光顏色匹配，或依賴低發(fā)射率金屬涂層降低中紅外輻射。然而，實際應(yīng)用往往要求材料同時兼具可見光外觀設(shè)計、紅外熱輻射調(diào)控以及高溫服役穩(wěn)定性。特別是在藍(lán)天、海洋及極地等典型背景環(huán)境中，藍(lán)色可見偽裝對于降低目標(biāo)可見探測概率具有重要意義，而中紅外透明材料則能夠充分利用基底低發(fā)射率特性，實現(xiàn)熱輻射調(diào)控與紅外隱身。因此，構(gòu)建兼具藍(lán)色外觀與中紅外透明特性的功能材料，不僅能夠突破傳統(tǒng)單波段光學(xué)調(diào)控的局限，也為未來多光譜協(xié)同隱身、高溫防護及航空航天光學(xué)器件提供了新的材料基礎(chǔ)。然而，實現(xiàn)藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明長期以來始終存在難以突破的物理耦合瓶頸。藍(lán)色通常來源于局域電子躍遷及由極性晶格畸變誘導(dǎo)的可見光選擇性吸收，而相同的長程庫侖相互作用又會增強晶格極化效應(yīng)，提高Born有效電荷和縱橫光學(xué)聲子分裂，最終形成強烈的Reststrahlen反射帶，大幅削弱材料的中紅外透過能力。這意味著產(chǎn)生藍(lán)色所依賴的電子—晶格相互作用往往同時導(dǎo)致中紅外高反射，使顏色形成機制與中紅外透明性能天然耦合。現(xiàn)有研究主要依賴薄膜干涉、微納結(jié)構(gòu)設(shè)計或多層復(fù)合體系實現(xiàn)有限的光譜調(diào)控，不僅制備復(fù)雜，而且難以兼顧寬波段中紅外透明、高溫穩(wěn)定性及工程可制造性。更重要的是，目前對于如何從晶格振動本質(zhì)出發(fā)，在保持藍(lán)色電子躍遷的同時削弱中紅外極性晶格響應(yīng)，仍缺乏統(tǒng)一而清晰的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。因此，從材料本征晶格動力學(xué)角度重新理解可見顏色與中紅外光學(xué)響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并建立能夠?qū)崿F(xiàn)二者解耦的新機制，已成為多光譜光學(xué)材料領(lǐng)域亟待解決的重要科學(xué)問題。

三、文章簡介：

近日，武漢紡織大學(xué)、紡織新材料與先進加工全國重點實驗室的徐衛(wèi)林院士、萬駿教授，與華中科技大學(xué)姚永剛教授合作，在Nature Communications上發(fā)表了題為“Thermally stable 2D YMnO3 enabling blue visible camouflage with mid-infrared transparency”的論文。朱梓源為論文第一作者，武漢紡織大學(xué)為第一完成單位。

該論文面向航空航天多光譜隱身與高溫光學(xué)防護需求，聚焦藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明難以兼容的關(guān)鍵科學(xué)問題，提出了基于二維YMnO3晶格結(jié)構(gòu)調(diào)控的光譜解耦策略。研究發(fā)現(xiàn)，二維化結(jié)構(gòu)能夠削弱長程極性晶格響應(yīng)，降低縱橫光學(xué)聲子分裂和Reststrahlen反射效應(yīng)；同時，Y-O和Mn-O局域鍵合單元提供較強短程恢復(fù)力，使材料在保持藍(lán)色可見吸收特征的同時實現(xiàn)優(yōu)異中紅外透明性。進一步通過微波熱沖擊合成獲得高結(jié)晶二維YMnO3納米片，并構(gòu)筑藍(lán)色中紅外透明涂層，實現(xiàn)了可見藍(lán)色偽裝、低中紅外熱顯現(xiàn)和高溫穩(wěn)定性的協(xié)同統(tǒng)一。該工作從晶格動力學(xué)與二維結(jié)構(gòu)調(diào)控角度揭示了顏色形成與中紅外響應(yīng)之間的解耦機制，為發(fā)展面向航空航天、紅外隱身及高溫光學(xué)窗口的新型多光譜功能材料提供了重要思路。

四、研究內(nèi)容：

（1）藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明的本征矛盾及二維結(jié)構(gòu)解耦機制

圖1從物理機制層面闡明了藍(lán)色可見顏色與中紅外透明之間長期難以兼容的本征矛盾，并提出二維YMnO3實現(xiàn)光譜解耦的核心設(shè)計思路。對于常規(guī)極性氧化物而言，藍(lán)色可見吸收通常與局域電荷中心偏移、金屬–氧配位畸變及電子躍遷密切相關(guān)，但這種極性晶格響應(yīng)同時會增強Born有效電荷和長程庫侖相互作用，導(dǎo)致縱光學(xué)聲子與橫光學(xué)聲子之間的頻率分裂增大，并在中紅外區(qū)域形成強烈Reststrahlen反射帶，從而降低材料的中紅外透過性。也就是說，顏色產(chǎn)生所依賴的電子—晶格耦合往往會同步放大紅外聲子響應(yīng)，使傳統(tǒng)藍(lán)色無機材料難以兼具紅外透明特征。針對這一問題，圖1進一步提出兩條互補的結(jié)構(gòu)調(diào)控路徑：一方面，二維層狀結(jié)構(gòu)能夠削弱面外方向長程極化電場，降低極性聲子對中紅外光的集體響應(yīng)，從而減小LO–TO分裂并削弱Reststrahlen反射；另一方面，Y–O和Mn–O局域鍵合單元形成較高短程恢復(fù)力常數(shù)，使局域勢能曲率增大、TO聲子硬化，并降低熱振動位移幅度，從晶格動力學(xué)上壓制中紅外吸收與反射。由此，二維YMnO3并不是簡單依靠薄層厚度降低紅外遮擋，而是通過“長程極化削弱”和“短程鍵合增強”的協(xié)同作用，在保留藍(lán)色可見吸收的同時降低極性晶格對中紅外波段的響應(yīng)，為實現(xiàn)藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明的統(tǒng)一提供了明確的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。

圖1 二維YMnO3實現(xiàn)藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明解耦的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及晶格動力學(xué)機制示意圖。

（2）二維YMnO3納米片的快速合成與多尺度結(jié)構(gòu)驗證

圖2系統(tǒng)展示了二維YMnO3納米片的微波沖擊合成方法及其從形貌、晶體結(jié)構(gòu)到局域配位環(huán)境的多尺度表征結(jié)果，為后續(xù)光學(xué)性能與機制分析提供了堅實的材料基礎(chǔ)。該研究采用快速微波輔助策略實現(xiàn)YMnO3二維納米片的高效制備，相比傳統(tǒng)高溫固相或長時間溶液合成方法，該過程更有利于在短時間內(nèi)誘導(dǎo)高結(jié)晶氧化物的快速成核與各向異性生長。TEM結(jié)果清晰顯示所得產(chǎn)物具有片層狀二維形貌，HRTEM與SAED進一步證實其具備良好的晶格有序性和六方晶體結(jié)構(gòu)，說明微波沖擊并未造成明顯晶格無序或非晶化。Rietveld精修XRD結(jié)果從整體晶體學(xué)尺度驗證了YMnO3主體相結(jié)構(gòu)，而FTIR中Y–O和Mn–O相關(guān)伸縮及彎曲振動峰則進一步證明了穩(wěn)定金屬–氧骨架的形成。更重要的是，Mn K邊XANES、EXAFS及WT-EXAFS對二維與塊體YMnO3的局域電子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境進行了對比分析，揭示二維化后Mn中心周圍的Mn–O第一配位殼層及Mn–Mn散射貢獻發(fā)生可辨識調(diào)控，表明材料并非簡單形貌縮小，而是伴隨局域鍵合環(huán)境與晶格動力學(xué)響應(yīng)的改變。這些證據(jù)共同證明，微波沖擊合成獲得的二維YMnO3同時具備高結(jié)晶性、穩(wěn)定六方骨架和調(diào)控后的局域配位結(jié)構(gòu)，為削弱長程極化響應(yīng)、增強短程鍵合恢復(fù)力并最終實現(xiàn)藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明協(xié)同提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)依據(jù)。

圖2 微波熱沖擊法制備二維YMnO3納米片及其晶體結(jié)構(gòu)和局域配位環(huán)境的多尺度表征。

（3）二維YMnO3的寬光譜光學(xué)響應(yīng)及中紅外熱輻射性能驗證

圖3系統(tǒng)驗證了二維YMnO3涂層在可見—中紅外寬波段的光學(xué)響應(yīng)及其熱輻射調(diào)控能力，進一步證明了二維結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效實現(xiàn)藍(lán)色可見偽裝與中紅外透明的協(xié)同統(tǒng)一。光譜測試結(jié)果表明，二維YMnO3在可見光區(qū)域保持穩(wěn)定的藍(lán)色光學(xué)特征，同時在中紅外波段表現(xiàn)出優(yōu)異的透過能力，使低發(fā)射率金屬基底能夠充分發(fā)揮自身的紅外反射優(yōu)勢，從而顯著降低體系整體熱輻射。為驗證其實際應(yīng)用效果，研究分別將二維YMnO3涂覆于玻璃、硅片及低發(fā)射率不銹鋼（SLS）等不同基底表面，紅外熱成像結(jié)果顯示，僅在低發(fā)射率基底上才能獲得明顯的低紅外熱顯現(xiàn)效果，進一步證明該材料本身并非依靠降低發(fā)射率實現(xiàn)紅外隱身，而是通過優(yōu)異的中紅外透明性保留基底原有的熱輻射特征。此外，將二維YMnO3涂覆于聚乙烯薄膜并覆蓋于人體皮膚表面后，紅外圖像仍能夠真實反映人體熱輻射信息，進一步驗證其寬波段中紅外透明性能。隨后，研究系統(tǒng)考察了膜厚對熱輻射行為的影響，結(jié)果表明即使隨著膜層厚度增加，二維YMnO3仍能夠保持較低的表觀輻射溫度，說明其具有良好的厚度容忍性。更重要的是，在100 ℃連續(xù)加熱8 h以及900 ℃長時間高溫退火后，二維YMnO3涂層仍保持穩(wěn)定的紅外熱輻射特性，而商業(yè)藍(lán)色顏料則發(fā)生明顯性能衰減，充分體現(xiàn)了其優(yōu)異的耐高溫穩(wěn)定性。上述結(jié)果表明，二維YMnO3不僅實現(xiàn)了藍(lán)色外觀與中紅外透明性的兼容，還兼具長期熱穩(wěn)定性和工程應(yīng)用可靠性，為航空航天高溫環(huán)境下多光譜隱身材料的發(fā)展提供了重要支撐。

圖3 二維YMnO3涂層的寬光譜光學(xué)性能、中紅外透明特性及高溫?zé)彷椛浞€(wěn)定性驗證。

（4）Y/Mn比例調(diào)控的藍(lán)色外觀演變及光譜性能關(guān)聯(lián)

圖4進一步揭示了Y–Mn–O體系中前驅(qū)體比例對藍(lán)色外觀、相結(jié)構(gòu)演變及寬波段光學(xué)響應(yīng)的調(diào)控規(guī)律，為理解YMnO3藍(lán)色形成機制和性能優(yōu)化提供了組成維度的證據(jù)。隨著Y/Mn前驅(qū)體比例變化，所得薄膜呈現(xiàn)出由淺藍(lán)到深藍(lán)的顏色差異，說明Mn相關(guān)電子躍遷和局域配位環(huán)境是決定可見光選擇性吸收的關(guān)鍵因素。UV-vis反射光譜及Kubelka–Munk函數(shù)分析進一步表明，不同Mn含量會顯著改變可見光區(qū)域的吸收強度和反射特征，從而調(diào)節(jié)藍(lán)色飽和度與明度；CIE 1931色度坐標(biāo)則將這種顏色變化進行定量化表達(dá)，直觀展示了組分調(diào)控對藍(lán)色偽裝窗口的可設(shè)計性。與此同時，XRD及Rietveld精修結(jié)果表明，隨著前驅(qū)體比例變化，體系中YMnO3主體相及可能伴隨的Y–Mn–O相關(guān)相組分發(fā)生演變，28–32°區(qū)域的特征峰變化和精修相分?jǐn)?shù)進一步揭示了相結(jié)構(gòu)對顏色與紅外響應(yīng)的協(xié)同影響。紅外熱成像結(jié)果顯示，不同Mn比例薄膜的表觀輻射溫度存在明顯差異，說明組分不僅影響可見顏色，也會通過調(diào)控晶體相、金屬–氧鍵合和紅外聲子響應(yīng)改變中紅外透明行為。進一步結(jié)合UV-vis-NIR與MIR反射光譜可以看出，合適的Mn含量能夠在增強藍(lán)色可見吸收的同時避免過強的中紅外反射，從而實現(xiàn)顏色表現(xiàn)與紅外透明之間的平衡。由此，證明二維YMnO3的多光譜性能并非偶然結(jié)果，而是可通過前驅(qū)體比例、相組成和局域電子—晶格結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)調(diào)控，為后續(xù)面向不同應(yīng)用背景的藍(lán)色偽裝涂層設(shè)計提供了可擴展的材料優(yōu)化路徑。

圖4 前驅(qū)體Y/Mn比例調(diào)控二維YMnO3藍(lán)色外觀及可見—中紅外光學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)規(guī)律。

（5）面向航空航天的雙波段偽裝應(yīng)用與高溫服役驗證

圖5進一步將二維YMnO3的基礎(chǔ)光譜機制拓展到航空航天應(yīng)用場景，驗證其在藍(lán)色可見偽裝、中紅外低熱顯現(xiàn)和高溫環(huán)境穩(wěn)定性方面的綜合優(yōu)勢。該圖首先提出一種面向飛行器金屬蒙皮的雙波段偽裝設(shè)計思路，即利用二維YMnO3自身的藍(lán)色外觀實現(xiàn)可見光背景匹配，同時依靠其中紅外透明特性，使下方高紅外反射金屬基底繼續(xù)保持低有效發(fā)射率，從而降低紅外探測中的熱輻射暴露。與傳統(tǒng)藍(lán)色顏料或厚重紅外涂層不同，該策略并不是通過犧牲紅外透明性來獲得顏色，而是在“藍(lán)色吸收層”和“低發(fā)射率反射基底”之間建立功能分工，實現(xiàn)可見—紅外雙波段協(xié)同調(diào)控。乙醇火焰直接沖擊實驗進一步模擬高溫極端環(huán)境，結(jié)果顯示YMnO3涂層在短時和較長時間火焰暴露后仍能基本保持表面完整性和熱輻射調(diào)控能力，僅出現(xiàn)輕微碳沉積，說明其無機氧化物骨架具有優(yōu)異耐熱性。通過對裸露表面、YMnO3涂覆表面和火焰處理后表面的照片及紅外熱成像對比可以看出，YMnO3涂層在保持藍(lán)色外觀的同時顯著降低了表觀紅外溫度，且經(jīng)過火焰作用后仍保持較好的紅外偽裝效果。進一步的100–350 ℃熱臺測試表明，隨著基底溫度升高，未涂覆區(qū)域與YMnO3涂覆區(qū)域之間仍維持明顯表觀溫差，證明該涂層在寬溫區(qū)熱環(huán)境下具有穩(wěn)定低熱顯現(xiàn)能力。最后，圖中提出的卷對卷碳熱沖擊焊接概念進一步展示了該材料面向大面積柔性復(fù)合片材制備和工程化紅外偽裝應(yīng)用的潛力。整體而言，證明二維YMnO3不僅是一種具有新穎光譜解耦機制的模型材料，更具備面向航空航天多光譜隱身、高溫防護和可規(guī)模化制造的實際應(yīng)用價值。

圖5 二維YMnO3在航空航天雙波段偽裝、高溫耐受及工程化應(yīng)用中的性能展示。

五、結(jié)論與展望：

綜上，該研究突破了傳統(tǒng)藍(lán)色無機材料可見顏色與中紅外透明難以兼顧的固有瓶頸，提出了基于二維晶格結(jié)構(gòu)調(diào)控實現(xiàn)光譜解耦的新策略。研究表明，通過削弱長程極性晶格響應(yīng)并增強局域短程鍵合作用，可在保持藍(lán)色可見偽裝特性的同時顯著提升中紅外透明性能，從而建立了連接晶格動力學(xué)、電子結(jié)構(gòu)與寬波段光學(xué)響應(yīng)的統(tǒng)一機制。基于此，成功構(gòu)筑了兼具藍(lán)色外觀、中紅外透明、高溫穩(wěn)定性及工程適用性的二維YMnO3功能涂層，并在飛行器雙波段偽裝等應(yīng)用場景中驗證了其優(yōu)異性能。展望未來，多光譜隱身材料的發(fā)展將進一步由單一波段調(diào)控邁向跨波段協(xié)同設(shè)計，從依賴經(jīng)驗材料篩選逐步轉(zhuǎn)向基于晶格動力學(xué)與聲子工程的本征結(jié)構(gòu)設(shè)計。與此同時，二維氧化物與大面積制備工藝、高溫防護體系及復(fù)雜裝備表面的深度融合，也將推動此類材料在航空航天、先進裝備、紅外光學(xué)器件及智能偽裝等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的工程應(yīng)用，為新一代多功能光學(xué)材料的發(fā)展提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑。

六、通訊作者簡介：

萬駿，武漢紡織大學(xué)特聘教授，化學(xué)與化工學(xué)院院長助理，應(yīng)化系副主任。湖北省高層次人才、武漢市青年科技計劃。2008~2017年在華中科技大學(xué)獲化學(xué)工程與工藝學(xué)士、物理電子學(xué)博士學(xué)位，師從周軍教授、王中林院士。2017~2019年在華中科技大學(xué)從事光學(xué)工程博士后，師從唐江教授。2023~2024年國家公派新加坡南洋理工大學(xué)訪問學(xué)者，合作導(dǎo)師為Lee Seok Woo教授。現(xiàn)任紡織新材料與先進加工全國重點實驗室徐衛(wèi)林院士團隊骨干成員。以微波熱沖擊技術(shù)合成電催化與功能纖維材料為核心，聚焦纖維降解、中紅外熱管理及月壤相關(guān)研究，承擔(dān)團隊月壤研究項目執(zhí)行負(fù)責(zé)人之一。主持國家自科基金、省自科基金、省教育廳、國家重點實驗室、企業(yè)合作等科研項目10余項。以第一及通訊作者在Nat. Commun., One Earth, Angew. Chem. Int. Ed., Matter&Light, Nano-Micro Lett.等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇。主編國際專著3部，授權(quán)中國發(fā)明專利4件。擔(dān)任新加坡Viser材料專家委員會委員、湖北省化學(xué)化工學(xué)會委員、市重點研發(fā)項目評審專家等，Nano-Micro Lett.、Carbon Energy、Exploration等多期刊青年編委。榮獲Young Scientist Award、湖北省化學(xué)化工先進青年工作者、青年五四獎?wù)隆⒆蠲澜處煹取?/p>