近日，上海交通大学姜学松团队与美国康涅狄格大学Luyi Sun团队合作，在AMR发表题为 “Reaction-Induced Patterns: Integrating Self-Organization with Top-Down Guidance” 的述评文章，系统总结了近年来反应诱导图案（Reaction-Induced Patterns, RIPs）领域的重要研究进展，并提出通过融合自组织过程与自上而下引导策略，实现功能化表面结构精准构筑的新思路。

关键词：反应诱导图案；自组织；自上而下引导；表面微结构；功能材料

文章内容简介

具有微纳结构的表面图案在光学器件、电子器件、柔性传感以及生物材料等领域具有重要应用价值。传统的微纳结构构筑方法通常依赖光刻、压印等自上而下的加工技术，虽然能够实现较高精度的结构控制，但往往存在加工复杂、成本较高以及对材料体系限制较多等问题。相比之下，自组织方法能够通过材料内部相互作用和物理化学过程自发形成结构，具有工艺简单、成本低和可扩展性强等优势。然而，自组织过程通常具有较强的随机性和不可预测性，使得图案结构在尺寸、排列以及方向性方面难以精确调控。

为解决这一问题，研究者提出了一种将自组织过程与自上而下引导策略相结合的反应诱导图案构筑方法。在该策略中，化学反应被用作驱动力，通过产生浓度梯度、表面能梯度、应力梯度以及相分离等非平衡效应，诱导材料发生定向迁移和结构重排，从而形成多种具有特定形貌的表面图案结构。与此同时，通过光掩膜、模板或边界条件等自上而下的引导方式，可以对反应区域和分子迁移路径进行精确调控，从而显著提升图案形成的可控性与结构精度。基于这一策略，研究人员总结了多种典型的反应诱导图案形成机制，包括浓度梯度驱动、表面能驱动以及应力驱动等模式。这些机制能够在材料表面形成多种复杂结构，例如褶皱结构、二维有序阵列、微光栅结构以及三维微突起等。同时，通过调控化学反应过程和分子迁移行为，可以实现图案结构在空间和时间维度上的动态演化，为构筑可编程结构提供了新的途径。

反应诱导图案策略在功能材料设计中展现出广阔应用前景。例如，在光学领域，具有微纳结构的表面图案能够调控光的散射、衍射和反射，从而用于动态光栅、结构色和光学加密等应用；在电子器件中，具有层级结构的导电图案能够提高器件的灵敏度和响应性能；在防伪和信息存储领域，具有随机性和动态响应特征的褶皱结构能够实现高安全等级的信息编码。此外，该策略还可应用于微流控器件、生物界面以及智能软材料等领域。作者指出，反应诱导图案作为一种融合自组织与外部精准调控的新型结构构筑策略，为构筑多尺度、可编程和动态可调的功能表面提供了重要途径。未来，该领域仍面临一些挑战，例如从二维表面结构向三维复杂结构拓展、实现规模化制造以及进一步提升图案构筑的精度与稳定性。随着先进制造技术、计算模拟和机器学习等方法的引入，反应诱导图案有望在智能材料和先进功能器件中发挥更加重要的作用。

您对这个领域有何发展愿景？

作者团队：

我们希望推动反应诱导图案从“自然形成的结构现象”发展为“可设计、可编程的材料构筑方法”。未来，该领域的重要方向在于进一步深化对化学反应驱动自组织机制的理解，并通过引入自上而下的精准引导，实现图案结构在尺度、形貌以及功能上的可控调节。与此同时，随着先进制造技术、计算模拟以及人工智能方法的发展，反应诱导图案有望实现从二维表面结构向三维复杂结构拓展，并逐步实现规模化制造。我们相信，通过将化学反应、自组织行为与工程调控相结合，可以为构筑多尺度智能功能材料提供新的设计范式，并推动其在光学器件、柔性电子、生物界面以及微流控系统等领域的应用。

请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

我们认为该领域未来将出现多个值得关注的研究机会。首先，在基础机制层面，化学反应、分子迁移与界面力学之间的耦合关系仍有许多尚未完全理解的问题，例如反应速率、扩散行为以及应力演化如何共同决定图案的形成过程和最终结构特征。深入研究这些基本机制，将有助于实现对图案形成过程的预测与精准调控。其次，在结构设计方面，当前反应诱导图案研究主要集中于二维薄膜体系，而向三维复杂结构和多尺度层级结构拓展将是一个重要的发展方向。这不仅能够丰富结构类型，也有望赋予材料更加多样化的功能。此外，将反应诱导图案与先进制造技术相结合，例如3D打印、可编程光刻以及数据驱动的材料设计方法，也将为结构构筑带来新的可能性。这些研究机会有望推动该领域从基础科学探索逐步迈向可工程化和可规模化应用。

您认为该领域目前最值得关注的热点是什么？

作者团队：

当前该领域最值得关注的热点之一是动态可调图案结构的构筑与调控。通过引入动态化学反应或刺激响应材料，可以实现表面图案在光、热或化学刺激下的可逆演化，使材料具备可重构和可编程的结构特性。这类动态结构为智能光学器件、信息加密以及柔性电子等领域提供了新的技术路径。另一个重要热点是多尺度层级结构的构筑。通过结合自组织过程与外部引导策略，可以在材料表面实现从微米到纳米尺度的结构协同调控，从而显著提升材料在光学调控、界面调节以及能量传输等方面的性能。此外，将反应诱导图案与先进制造技术相结合，例如3D打印和可编程制造，也是当前快速发展的研究方向。这类策略能够在宏观结构设计的基础上引导微观图案的形成，为构筑复杂功能结构提供新的可能性。

作者团队简介

姜学松教授，上海交通大学化学化工学院特聘教授，国家杰出青年基金获得者。2005年获博士学位，同年任教于上海交通大学，2014年晋升为研究员。2009-2010年期间在德国哥廷根大学做洪堡学者，先后主持国家重点研发计划项目、基金委重点项目等多个科研项目。研究方向为智能高分子材料及其图案化表面，发展了构建动态褶皱微纳米图案的新策略，实现了褶皱图案二维严格有序。担任ACS Applied Polymer Materials 副主编。

孙陆逸 (Luyi Sun)教授,  美国University of Connecticut化学与生物分子工程系杰出教授。2004年在University of Alabama获得化学博士学位，随后在Texas A&M University完成博士后研究。2006年至2009年，他在TOTAL Petrochemicals USA工作。2009年至2013年期间，在Texas State University担任助理教授，2013年加入University of Connecticut任副教授，并于2018年晋升为教授。其当前研究方向主要集中在纳米结构材料的设计与合成及其在多种领域中的应用开发。

李甜甜博士, 现为美国University of Georgia 博士后。2021年12月在上海交通大学获得高分子化学与物理专业博士学位，师从姜学松教授。2022年至2025年，她在美国康涅狄格大学孙陆逸教授课题组从事博士后研究。 2025年至今在美国佐治亚大学从事博士后。主要研究方向为智能高分子材料与图案化功能表面，并探索其在柔性器件、空气动力学减阻和能源储存以及智能界面等领域的应用。已在Adv. Mater., Matter, Acc. Mater. Res., Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Mater. Horiz.等期刊发表论文20余篇，授权中国专利3项，美国专利2项。

申匡宇博士，于2016年在美国University of Bridgeport获得生物学学士学位，并于2018年获得生物医学工程硕士学位。2019年，他加入美国康涅狄格大学（University of Connecticut）孙陆逸教授课题组, 于2024年获博士学位。其研究方向主要集中在智能材料与自组装杂化材料领域。

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Reaction-Induced Patterns: Integrating Self-Organization with Top-Down Guidance

Tiantian Li, Kuangyu Shen, Luyi Sun*, and Xuesong Jiang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00284

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