黑色素的“超能力”来自混乱
天然黑色素最引人注目的特性之一，是其近乎“贪婪”的广谱光吸收能力——能从紫外线一路吸收到近红外光。这种特性源于其分子内部复杂、甚至有些“混乱”的纳米级网络结构。科学家们受此启发，合成出结构相似的人造黑色素材料，希望利用其高效将光能转化为热能的“光热转换”本领。
然而，成也结构，败也结构。这种复杂的结构就像一团难解的毛线，使得科学家难以建立清晰的“结构-性能”关系，更别提按需调控其性能了。如何让人造黑色素吸收更多我们想要的光（比如穿透组织能力更强的近红外光），成为该领域发展的一个核心瓶颈。
黑色素材料的光吸收与光热行为调控策略。图片来源Acc. Chem. Res.。
五把“化学钥匙”解锁光热潜能
面对这一挑战，李乙文教授团队基于其前期发现——黑色素的光热转换主要通过高效的无辐射衰变进行，吸收的光能在1纳秒内即转化为热——提出了一个核心思路：调控光吸收，就是调控光热能力的关键。
为此，他们系统性地提出了五种材料化学调控策略，宛如五把精准的“化学钥匙”：
形态调控：改变材料的物理形态（如颗粒大小、形状），不同形态会影响光吸收效果。
2.杂化集成：将其与其他功能材料复合，取长补短，优化光吸收和光热性能。
3.金属离子螯合：引入金属离子，利用配体-金属电荷转移效应增强吸收。
4.共价掺杂：通过化学键引入其他分子基团，调节电子结构。
5.缩合聚合：控制聚合过程，调整分子共轭长度。
这些策略的核心目标，直指材料内部的电子结构：通过调节共轭体系、能带隙和电荷转移路径，最终成功让人造黑色素材料对从紫外到近红外光的吸收能力得到全面提升，变得更“黑”、吸光能力更强。
构建电子给体-受体对降低材料的能带隙，促进吸收光谱红移，得到“更黑”的黑色素材料。图片来源Acc. Chem. Res.。
广阔的应用蓝图
性能得到优化的人造黑色素材料，可以通过加工变成各种形态：一维的纤维、二维的薄膜、三维的纳米粒子、水凝胶乃至弹性体。这让它们的应用场景变得极为广泛：
•生物医学：作为高效的光热转化剂，用于精准的肿瘤光热治疗；或作为载体，实现药物的可控释放。
•能源与环境：用于太阳能海水淡化，高效利用光能生产淡水；在环境修复、光催化降解污染物方面也潜力巨大。
•新材料领域：可用于制成柔性电子器件，为可穿戴设备提供新的材料选择；还能应用于智能传感，实现对特定信号的检测。
挑战与未来
尽管成果喜人，但人造黑色素材料想要从实验室走向产业化，还有几道难关要闯。
首先，科研人员对它的聚合反应机理和发色团组成的认识还不够全面，不同合成条件下材料结构的变化规律，还需要进一步探索。
其次，目前的研究大多是在实验室的理想条件下进行的，材料在实际应用中，比如受到外力挤压、处于极端温度或复杂介质中时，结构是否稳定、性能会不会变化，这些问题还没有明确答案。
最后，如何平衡材料的光热效率、生物相容性和加工性能，也是实现产业化的关键。
未来，科研人员将结合人工智能和高通量实验，深入研究复杂环境下人造黑色素的构效关系。相信随着研究的深入，这种仿生材料会在更多领域解锁新用途，为我们的生活带来更多惊喜。
参考文章：
Zou, Y.; Wang, T.; Lin, X.; Yang, L.; Li, Y. Regulation of the Light Absorption and Photothermal Performance of Melanin-Like Polymers. Acc. Chem. Res. 2025.
原文链接：
DOI: 10.1021/acs.accounts.5c00346
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