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仿生“变色龙”:与环境实时交互的快速变色


微纳结构显色,好像是一个百宝箱,里面藏着无穷的宝藏。无墨印品用它来实现无油墨印刷,以期达到更环保、安全、无污染的绿色印品;iCeMS的研究人员已经制作出最小的结构显色蒙娜丽莎的微笑;自然杂志上前段时间也刊发了以结构着色来实现色彩印刷。不论哪种方式,结构色这个名词,正越来越多的出现在大众眼中。

 

(苏州印象无油墨印包装

 

今天我们要讲的,同样也是利用结构色,来实现更复杂的仿生变色效果。

 

在今年新上映的美国科幻电影《惊奇队长》中,女主角身着性感靓丽的超级套装,而且非常有意思的是衣服的颜色可以随意变换。其实这种变色元素,在美国众多科幻电影中都有迹可循,包括通过改变颜色隐身等。

 

试想下,未来将这种变色设计到生活中,我们可以通过颜色变化来实时感知环境变化,比如将这种变色设计用到仿人机器人皮肤中,有可能未来机器人还可以给我们“脸色”看呢。

 

关于结构色薄膜

 

 

研究亮点:

1. 结构色薄膜具备溶剂致变色与变形双重功能;

 

2. 结构色驱动器展现出快速变色与持久变形能力;

 

3. 结构色驱动器能与环境实时交互。

 

传统的软体驱动器或机器人由于欠缺诸如兼具变形与变色的多功能特性,难以像自然界中的生物(变色龙,章鱼等)一样自主感知环境变化并及时做出反应,极大影响了人机交互和机器与环境交互效果。

 

(图片来源网络)

 

鉴于此,中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏团队,创新性地仿生自然界中变色龙通过肤色改变与环境实时交互的结构原理:皮肤中存在周期性排列的微纳颗粒,当皮肤舒张或收缩时,皮肤中微纳颗粒间距会发生改变,进而反射光之间的干涉效果就随着改变,最终呈现出肉眼可见的皮肤颜色变化,这种源于周期性微纳结构的颜色称之为结构色,并将这种周期性的微纳结构设计到可控形变与可控运动的材料中,成功实现能与环境实时交互的仿变色龙驱动。

 

要点一:快速变色

杜学敏团队采用周期性微纳颗粒阵列为模板,将丙烯酸酯类预聚单体浇筑到模板中并聚合固化,随后移除微纳颗粒模板,即可获得具有周期性微纳孔洞的聚丙烯酸酯(PTMPTA)。正是由于独具匠心的多孔结构设计,使得这类薄膜在溶剂氛围中实现快速的颜色变化(仅需0.2 s即可实现反射光谱红移37 nm),这是因为纳米尺度多孔结构能促进溶剂蒸汽的吸附与冷凝,进而快速溶胀聚丙烯酸酯分子并改变周期性微纳孔洞间距,从而实现颜色快速变化。

 

(图 1 溶剂致快速变色)

 

要点二:可控变形与变色 

杜学敏团队发现,将薄膜厚度降低到38 μm,并在薄膜无周期性结构一侧设计进去阵列化排布且溶胀程度小的聚丙烯酸酯高分子条带时,由于不对称性溶胀,薄膜在溶剂氛围中不仅可快速变色,而且还能实现定向变形,这类变色与变形持续逾100个循环后,仍然保持优良驱动特性。

 

(图 2 可控变形与变色)

 

要点三:与环境实时交互 

进一步,杜学敏研究团队把这类快速变色与变形的材料设计成风车、花朵,当环境中溶剂蒸汽浓度变化时,这类风车与花朵即可呈现出动态的运动与变色,这类肉眼可见的变色可用于检测身体健康状况及环境污染情况等。

 

有趣的是,通过模仿自然界中可爬行的生物,将不对称性摩擦设计到兼具可运动与变色的驱动器中,成功设计出能随环境变化进而改变自身颜色的爬行机器人,其运动速度可达到0.16 cm/s(一分钟可以爬行逾6倍自己身长的距离)。这类可控变色与运动的爬行机器人有望用于传感、通讯及机器人伪装等方面。

 

(图 3 与环境实时交互)

 

小结:

该工作不仅为传统驱动器多功能设计提供了新方法,而且还为人--环境友好交互提供了新思路。

 

另一种应用在膜上的结构色是指,当膜的表面被刻上极其微小的纳米级的结构时, 即可使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉, 进而产生各种肉眼可辨的色彩和图案。因为微纳光学结构色具有不褪色、环保和虹彩效应等优点,在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。

 

(利用微结构条纹显示真彩色3D立体图像,来源苏州印象)

 

目前,微纳结构色已经被越来越多的企业、科学研发团队研究、应用,结构显色也必将是未来更环保、更安全的色彩表达方式。无墨印品微纳纹理结构显色已经广泛应用于包装、证件、电子电器外观装饰等领域,相信未来会有更广的市场。

 

参考文献:Yunlong Wang, Qilong Zhao, Huanqing Cui, Xuemin Du*, Chameleon-inspired structural color actuators, Matter, 2019,10.1016/j.matt.2019.05.012.https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30037-2

 

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