最新《Nature Materials》：利用“投影仪”来制造动态结构色材料！

结构色，顾名思义，与结构有关的色，即色彩随着物体内部结构的变化而变化，具体来讲，它是由光的散射、干涉或衍射作用引起的颜色变化。其特点是外形美观，不会被化学药品或热水处理而消失。结构彩色材料可根据机械刺激改变颜色，特别适用于光学传感和视觉通信。虽然有许多方法对材料内部提供了不同级别的控制，但是在制造复杂性、可扩展性、色彩动力学或设备成本方面受到限制。从本质上讲，所有现有技术要么非常擅长在微观尺度上控制结构，但面临无法规模生产的问题，要么可大规模生产，但不能对材料结构的精确控制。所以，如何兼顾两者，既可以精确控制微观结构，又可以大规模生产结构色材料是材料领域长期存在的重要挑战之一。

针对该挑战，麻省理工学院Mathias Kolle团队受启发于诺贝尔奖获得者Gabriel Lippmann开创性的彩色摄影技术，通过将视觉场景放置在反射表面上来将其刻入摄影胶片中，从而创建驻波图案，该图案被记录为周期性折射率变化。然后，这些折射率变化充当分布式布拉格反射器，反射光谱的特定部分。从而生产出既可以精确控制微观结构，又可以大规模生产的可变色光子晶体材料。相关成果以“Scalable optical manufacture of dynamic structural colour in stretchable materials”为题发表在Nature Materials上。

材料的制备

作者采用Lippmann的技术，将一片商业化的弹性光聚合物放在反射表面上，并将其暴露在使用标准光投影仪创建的图像上（图1）。将图像聚焦在Litiholo C-RT20全息记录材料上，该材料具有高度可逆的拉伸性，无需任何修饰改即可使用。记录的时间取决于光源的功率和记录图案的暴露区域的大小。使用高功率投影系统，预计曝光时间可减少到亚秒级。然后将光聚合物短时间暴露于等离子体后粘合到有机硅上，从而产生结构化的有机硅基材，提供机械可调性和支撑作用。硅胶基板同时还充当光学吸收背衬层，以增强反射颜色的饱和度。

图1：宏观尺度下的可拉伸变色材料的光学制造

对结构色的控制

作者通过设计了一个九宫格测试图像证明能够在单个制造步骤中创建任何所需色调的结构色材料，并且与理论值相吻合。作者还制作了Gabriel Lippmann最喜欢的花束以证明此技术可以实现对结构色的空间控制，从而可以生成具有高要求的空间-光谱强度分布的材料。结构色图案的分辨率和整体图像面积由投影图像的大小和分辨率决定（图2d）。对于高空间分辨率的微型图像，可以在投影仪前面加一个短焦距镜头，就可以达到10μm的像素尺寸。

此外，弹性光聚合物的可变形性使其在机械刺激下产生可预测、可重复和可逆的颜色变化。作者通过使花型受到越来越多的应变，可以看到可实现的各种轨迹的例子，不同的起始颜色遵循独特的颜色空间轨迹。其峰值反射波长的变化是可以预测的（图2i）。这有利于在实际材料生产之前，从理论上优化所需的制造条件，以达到任何所需的颜色轨迹。

图2 控制空间色彩分布和动态

作者还探讨了材料的机械变形如何影响光学响应，该材料的机械性能-薄光聚合物的性质主要由有机硅背衬的机械特性决定。作者从以下4个参数进行探讨。1具有不同光谱反射带的材料板材或多色板中单个像素的变形行为没有明显差异。2有机硅背衬层的形貌决定了由外部施加的拉力引起的局部应变。较薄的区域会经历更大的应变，因此颜色变化更明显。3通过改变投影机光线的入射角，可以调整折射率变化的周期。作者用红光以不同的入射角照亮了弹性光聚合物（图3a）。所得材料的峰值反射波长随着角度的函数而增加，符合理论预测。4反射面的纹理是也是影响动态光子材料的另一个设计参数。作者使用拉丝铝或不锈钢板，我们将反射器的角度散射特性转移到结构性彩色材料上，对于动态光子材料，这种对散射特性的控制水平是此方法所独有的。

图3近红外结构颜色和定制的散射特性

材料的应用

在应用方面，通过颜色变化提供有关机械力的信息，无需复杂的电子或机械传感器，从而实现肉眼观察。弹性绷带中的比色指示剂（图4a）可以量化施加在患者身上的压力或压力梯度。具有可变颜色图像的石膏（粘性绷带）（图4b）可以帮助儿科患者的依从性和满意度。将变色板与简单的成像系统相结合可以更精确地测量所涉及的机械力，当施加压缩力时，观察到的颜色变化表示每个位置的应变值图，从而捕获物体形貌。此外，这种材料使以变色板作为传感元件的紧凑型力敏器件成为可能（图4h）

图4 比色机械感应

小结：通过改编Gabriel Lippmann摄影并将其与市售弹性光聚合物相结合，作者开发了一种制造可大规模生产，灵活且易于变色的光子晶体材料的方法。由此产生的材料坚固耐用、反应灵敏、并且可以设计具有广泛的光学和机械性能，在施加的应变和应力与颜色变化之间表现出可预测的关系。这种材料在一系列领域可能很有价值，包括用于人机交互的输入设备，医疗保健，动作捕捉，机器人运动和操纵以及学术研究。

来源：高分子科学前沿

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