![]()
![]()
章魚和烏賊都是偽裝高手,它們能夠瞬間改變自身皮膚的顏色和紋理。長期以來,科學(xué)家一直試圖用合成材料實現(xiàn)這種能夠迅速改變皮膚的顏色和紋理的能力。
在一項于近期發(fā)表在《自然》雜志的研究中,一個研究團(tuán)隊朝著這一目標(biāo)邁出了重要一步:他們開發(fā)出一種新的柔性材料,能夠在短短幾秒內(nèi)膨脹成不同的紋理和顏色,并形成分辨率比人類頭發(fā)還要精細(xì)的圖樣。
如何獨立控制顏色與紋理
許多工程材料都能夠改變顏色,也有許多材料可以改變形狀,但幾乎沒有材料能夠彼此獨立地實現(xiàn)這兩種變化。
例如,一些人造的變色表面通常采用結(jié)構(gòu)色機(jī)制,這意味著顏色來源于微米、納米級的尺度結(jié)構(gòu)與光的相互作用;還有一些工程材料在受到拉伸時會形成褶皺,從而產(chǎn)生動態(tài)紋理。然而,這些光學(xué)響應(yīng)與力學(xué)響應(yīng)通常是彼此相互影響的:一種會改變表面粗糙度的形變,往往也會同時改變反射顏色,使得很難在不干擾另一種性質(zhì)的情況下調(diào)控其中一種性質(zhì)。
因此,想要實現(xiàn)類似章魚那樣對顏色和紋理進(jìn)行彼此獨立調(diào)控的能力,一直是自適應(yīng)材料設(shè)計中的核心挑戰(zhàn)。
用電子束制造可逆紋理
為了達(dá)成這一目標(biāo),在新的研究中,研究人員使用了一種名為PEDOT:PSS的導(dǎo)電聚合物。之所以選擇這種材料,是因為它在與水接觸時會發(fā)生膨脹,而且這種膨脹是可逆的;而當(dāng)這種材料暴露在其他液體中時,它會釋放所吸收的水分并重新收縮。
此外,這種材料的膨脹程度可以通過電子束照射來改變PEDOT:PSS的吸水性,接受低劑量電子束照射的區(qū)域會吸收水分并發(fā)生膨脹,而受到高劑量照射的區(qū)域則保持相對平坦。因此,通過向PEDOT:PSS薄膜照射電子束,研究人員就能調(diào)控材料特定區(qū)域的膨脹程度。
此前,研究團(tuán)隊使用掃描電子顯微鏡,來觀察他們在PEDOT:PSS薄膜表面制備的納米結(jié)構(gòu)。通常,這些樣品在完成成像后就會被丟棄,但研究人員決定將它們重新利用,而不是重新制備新樣品。
而就在隨后的一組測試中,那些經(jīng)過了掃描電子顯微鏡成像的薄膜區(qū)域,表現(xiàn)出了不同的行為,并呈現(xiàn)出不同的顏色。這一偶然的發(fā)現(xiàn)讓研究人員意識到,可以利用這些電子束在非常精細(xì)的尺度上控制表面形貌。
用于調(diào)色的光學(xué)腔
為了控制薄膜表面的顏色,研究人員還將一層PEDOT:PSS薄膜夾置于兩層金膜之間,構(gòu)建出一種稱為光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)光照射到這一結(jié)構(gòu)上時,一小部分光會透過頂部金層進(jìn)入腔體,并在兩層金屬之間多次反射。其中一部分光會再次從頂部表面逸出,并與從頂部金層直接反射的光發(fā)生干涉。腔體厚度的不同會使特定波長的光相較于其他波長被更強(qiáng)烈地增強(qiáng)或抑制,從而產(chǎn)生清晰可控的反射顏色。
PEDOT:PSS薄膜在水中發(fā)生膨脹,會改變兩層金膜之間的距離,從而調(diào)節(jié)反射顏色。通過將薄膜浸入異丙醇中,可以逆轉(zhuǎn)其在水中的膨脹過程,從而使相應(yīng)的光學(xué)變化恢復(fù)原狀。
動態(tài)可能性
尤為令人振奮的成果是,研究人員制造了一種“光子皮膚”,其顏色和紋理可以彼此獨立地加以控制,使其幾乎可以像章魚一樣靈活地與背景圖樣實現(xiàn)偽裝。
為了實現(xiàn)這一點,研究人員將PEDOT:PSS薄膜分別附著在一個透明襯底的兩側(cè)。其中一層PEDOT:PSS薄膜被夾于兩層金膜之間,構(gòu)成光學(xué)腔結(jié)構(gòu);而另一層PEDOT:PSS薄膜則僅覆蓋一層金膜。
![]()
人造光子皮膚。(圖/Nature)
帶有單一金膜層的一側(cè)負(fù)責(zé)控制光子皮膚的可見紋理,而光學(xué)腔所在的一側(cè)則用于調(diào)控其顏色。通過將這個裝置的每一側(cè)分別暴露于水或異丙醇中,研究人員展示了四種彼此區(qū)分的視覺狀態(tài):
1、既無紋理也無顏色圖樣,
2、僅有紋理圖樣,
3、僅有顏色圖樣,
4、同時呈現(xiàn)紋理和顏色圖樣。
潛在應(yīng)用
這項研究成果有望為人類和機(jī)器人系統(tǒng)帶來更高效的動態(tài)偽裝,并可能推動用于可穿戴技術(shù)的柔性變色顯示器的開發(fā)。此外,它也為納米光子學(xué)領(lǐng)域打開了新的機(jī)遇。納米光子學(xué)通過對光和光學(xué)過程的精確操控,推動電子學(xué)、加密、生物學(xué)等多個領(lǐng)域的發(fā)展。
目前,要讓薄膜精確匹配背景圖樣,研究人員仍需手動調(diào)節(jié)水與溶劑的配比,以獲得合適的表面形貌和顏色。因此,研究團(tuán)隊希望未來能通過引入計算機(jī)視覺系統(tǒng),使其能夠自動調(diào)節(jié)薄膜的膨脹程度,從而與多種不同背景實現(xiàn)自適應(yīng)融合。
研究人員還對其他應(yīng)用前景充滿興趣。例如,精細(xì)尺度的紋理變化可用于增加或降低摩擦力,這可以決定一個小型機(jī)器人是能夠附著在表面上,還是會從表面滑過。納米尺度的結(jié)構(gòu)還可以影響細(xì)胞的響應(yīng)方式,因此這些技術(shù)也可能在生物工程領(lǐng)域發(fā)揮作用。
#參考來源:
https://news.stanford.edu/stories/2026/01/flexible-material-changes-color-texture-camouflage-robotics-research
https://www.nature.com/articles/d41586-025-03984-8
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09948-2
#圖片來源:
封面圖&首圖:Siddharth Doshi
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.