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科学家发明像变色龙一样能改变自身颜色的智能材料

时间: 2020年04月22日 | 作者: 埃默里大学 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
科学家耗费大量的努力,发现了一种可以根据环境变色的光子晶体“智能皮肤”,在这一过程中,皮肤尺寸也不会发生改变。


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图片来源:Pixabay


撰文:埃默里大学

翻译:李亚楠

审校:郝豪


变色龙通过改变皮肤的颜色,能隐藏在环境中躲避天敌,而当需要守卫领地或吸引配偶时,它们也能从背景中突显出来。利用皮肤中的光子晶体,变色龙很容易就能完成这种改变。然而,科学家耗费大量的努力才发现了一种可以根据环境变色的光子晶体“智能皮肤”,在这一过程中,皮肤尺寸也不会发生改变。


在发表于ACS nano杂志的研究中,美国埃默里大学的化学家介绍了他们发明的一种随热量和太阳光变色的柔性智能皮肤。文章第一作者Yixiao Dong是美国艾莫利大学化学院的博士候选人,他介绍说,“在观察变色龙的变色过程时,我们想到这一突破性的想法”。Khalid Salaita是艾莫利大学的教授,也是本文的通讯作者。“很长一段时间,光子晶体领域的科学家都在尝试发明可应用于伪装,化学传感和防伪等多个领域的变色智能皮肤,”他补充道,“尽管我们的工作还是处于基础阶段,但是我们已经建立一种全新的方法,能用于后续的研究和开发。”


除了变色龙,许多其他生物也有变色能力。例如,在太阳下,霓虹灯鱼身上的条纹会从深靛蓝变成蓝绿色。这些生物的颜色并非由色素产生,而是由按规则重复性排列的光子晶体产生的。呈周期性排列的光子晶体能过滤一定波长的光。尽管这种光子晶体本身没有颜色,但是晶体之间精确的间隙只允许一部分光通过,其余的光被阻挡在外。颜色的变化取决于光照条件,以及这些粒子间的距离。自然界中,蝴蝶翅膀的斑斓颜色和孔雀的羽毛颜色也是由光子晶体产生的。


Dong解释道,如果你把草莓放在榨汁机,出来的草莓汁是红色的,因为草莓的颜色是由色素产生的。然而,如果你磨碎色彩斑斓的蝴蝶翅膀时,看到的却是一些暗淡的粉末。这是因为蝴蝶翅膀的颜色并不是色素颜色,而是“结构颜色”。蝴蝶翅膀被磨碎时,它的晶体阵列结构也就被破坏了。


为了模拟变色龙和发明一种人工智能皮肤,科学家们尝试将光子晶体阵列嵌入到柔性、含水聚合物或水凝胶中。当水凝胶的膨胀或收缩,能改变阵列之间的间距,进而导致颜色变化。问题是,实现的颜色变化,需要水凝的胶尺寸发生明显的变化,这样会导致材料弯曲和结构不稳定。Salaita说道:“没有人想要一件变色时会收缩的伪装斗篷。” 


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受到变色龙的启发,智能皮肤材料受到热刺激和太阳光照射后,会有颜色变化。


当Dong一边变色龙的视频时,他一边在思考着一个问题,“我想知道为什么变色龙在变色时皮肤尺寸不会变化。”在变色龙变色的特写镜头中,Dong注意到变色龙的变色区域并没有覆盖整个皮肤,而是分散在一个黑色矩阵上。当光子晶体产生不同的颜色时,这些色块之间的距离会保持不变。Dong推测,构成黑色矩阵的皮肤细胞以某种方式进行了调整,以补偿光子晶体的位移。Dong说:“我想知道我们是否能设计出类似的复合结构:将光子晶体阵列嵌入到一个自动调节的矩阵。” 


研究人员使用磁铁将含有氧化铁的光子晶体排列在水凝胶中。然后,他们将这些阵列嵌入第二个没有光子晶体的水凝胶中。第二种弹性水凝胶能与第一种水凝胶进行机械匹配,以补偿光子晶体之间的移动距离。当加热时,这种智能皮肤(SASS)会改变颜色,但会维持几乎恒定的大小。Dong将SASS薄膜制成了霓虹灯鱼和树叶的形状,并在阳光下测试了这种材料。当SASS薄膜在自然阳光下暴露10分钟后,会从橙色变成绿色,但整体的大小不变。


Dong表示,“我们为未来的人工智能皮肤设计提供了一个总体框架。虽然,这距离应用于现实生活中,还有很长的距离,但令人兴奋的是,我们在这一领域又前进了一步。”


原文链接:https://phys.org/news/2019-09-chameleon-smart-skin-sun.html