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Advanced Intelligent Systems 多层微纳结构柔性皮肤:可动态切换的结构色与化学色 (封底论文,Advanced Sci News,力学人,九三学社交大委员报道)
发布者: 李博 | 2024-02-21 | 19086

自然中各种柔性与软体的动物为软体机器人研究提供了丰富的灵感,特别是是海洋中头足纲具有惟妙惟肖的颜色变化功能,是伪装领域的大师。事实上,海洋中某一类鱿鱼的表皮中蕴含了两种变色的机制:既有通过色素变化改变光学透射特性的功能(化学色),也有纳米尺度的生物光子晶体(结构色)。正是这两种机制的相互配合,才保证了鱿鱼可以在水中灵活自如地变化色彩,实现躲避天敌或者传递信号的功能。

 

其中,光学透射主要集中宏观到微米的尺度,而光子晶体主要在纳米尺度,想兼容两种功能必须同时具备微纳多级的结构。然而如何在类似皮肤一样的软基体材料中制备微纳结构是一个挑战。现有的工艺中往往包含多个物理化学的处理方法,在制造效率和精度上存在改进的空间。为了解决这个问题,西安交大和东华大学团队从皮肤的褶皱中获得灵感,利用软材料受到压缩达到失稳的后屈曲变形作为成型制造的原理。他们发现,在纳米尺度下,金催化的软体材料中会产生局部固化的现象,即靠近金的部分预先固化成高弹性模量的薄膜,进而形成薄膜-软基的双层力学体系,然后整体材料在固化后体积收缩超过临界应力后获得的褶皱图案。

 

同时,为了引入纳米结构,他们采用多种纳米孔模板作为固化中的约束条件。最终,两个团队的研究人员进行了三年的探究与摸索,经过大量的系统实验,终于得到了纳米颗粒-微米褶皱的柔性表面。研究发现,通过改变软体材料的成分配比,可以获得丰富的褶皱图案,包括凹坑型(crater),花生型(peanut)和条带型(laminate)等。这些图案的出现,为制备多级结构提供了备选的方案。可见,通过模板镀金和配比两个参数就可以获得多级的形貌,极大的简化了制备流程。团队对多级结构的光学特性进行测试表征,他们发现在等双轴拉伸下,材料表面实现从不透明向结构色表面的转变,如图4所示。开始呈现为不透明且无结构色,随着应变量增大,材料逐渐透明,特别是在施加15%应变时,其透过率有一个明显的提升,此时背面的二维码图案开始清晰,侧视视角中材料开始出现淡蓝色,结构色在此应变时随着透过率的大幅提高而显示出来,这说明了这两级结构带来的光学性质之间存在先后顺序关系,前者的逐渐消失会带动后者逐渐显示。继续增大应变到30%,此时透过率已经基本达到最大,其下方的二维码图案已经清楚的显示出来,同时表面的蓝色逐渐变得明亮,饱和度逐渐提高,这和透过率的增大直接相关,这也表明了表面褶皱结构完全消失。继续增大应变量到60%,此过程中透过率基本保持不变,而结构色从蓝色逐渐变为红色。

 

在光谱表征下,应变从0%增加到10%的过程中,此时表面的透过率很低,褶皱形貌对入射光的漫反射作用占据主导地位,所以反射光谱的特点是反射率较低且没有明显的反射峰出现,此时表面也并无结构色。当应变增加到15%时,此时透过率会快速变大,在被测角度下,结构色逐渐出现淡绿色,反射光谱中心波长为556 nm。进一步增大应变到30%,透过率从52.2%增大到79.9%,基本达到了最大的透过率,而反射光谱的波长变化到了581 nm,颜色也变成了黄色,这个阶段是表面透过率和结构色同时变化的过渡区,所施加的应变一方面进一步展开表面褶皱形貌,而另一方面也用来部分增大了光子晶体的衍射间距。最后应变增大到60%,反射光谱的中心波长变化到685 nm,颜色变为粉红色,这一阶段应变用来增大光子晶体的衍射间距。由于衍射间距的增大,所以反射光谱呈现出红移的特性。因此,这种多级结构的材料既涵盖了透明度的变化(宽谱的峰值高低),又赋予了可见光范围下的色彩变化(窄谱的峰值平移),可以在两个维度上对光学特性进行人为的调控。

 

该成果以“Switchable and Tunable Chemical Structure Color in a Flexible Hierarchical Surface”为题,发表于智能系统领域旗舰期刊Advanced Intelligent Systems上,并获得Advanced Sci News新闻推荐。

 

论文的第一作者为西安交通大学机械工程学院机器人与智能系统研究所李博副教授,并得到了来自太原工业学院(赵鹏飞),合肥工业大学(常龙飞,胡颖)和河海大学(王延杰)多位同行的协助。西安交通大学陈贵敏教授和东华大学葛邓腾教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金以共融机器人重大研究计划的资助。

 

 

原文链接:

https://doi.org/10.1002/aisy.202200415

 

 

 

 

新闻报道:Advanced Sci News (Twitter)

 

 

力学人  https://mp.weixin.qq.com/s/FY0MqxeVBsN50mrmSKgtGg

 

 

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