文献精读：电子科技大学Sci. Adv.|师法自然的伪装大师！自适应光致变色材料构筑

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成果掠影 & 研究背景

近期，电子科技大学王东升在《Science Advances》在线发表了题为“Self-adaptive Photochromism”的研究论文，提出了一种将主动伪装融入内在功能的自适应光致变色材料。该研究采用供体-受体斯坦豪斯加合物（DASAs）作为负光致变色相，结合有机染料构成固定相，制备出自适应光致变色（SAP）材料。特定波长的入射光可诱导DASAs分子发生线性至环状异构化，从而在特定波长处形成吸收间隙并相应变换颜色。SAP材料在暗态下呈现原色黑色，而在背景透射光或反射光下能自发转变为另一种颜色。此外，该材料的应用潜力可拓展至薄膜与涂料体系，用于多样化表面的修饰。

伪装是动物普遍且关键的特征，涵盖混隐色、自我装饰、模仿、干扰及主动伪装等多种形式。主动伪装允许生物体主动调整外观以融入环境，避免被察觉。然而，通过人工系统实现这一过程需经历识别、处理、刺激及改变等一系列步骤，常依赖于电子器件集成，这导致了结构复杂化、实用性受限及成本上升等问题。因此，利用颜色可切换作为材料的固有特性来实现主动伪装仍面临挑战。

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研究内容 & 图文数据

（1）DASAs的材料设计

图1a概述了主动伪装的一般流程：识别、处理、刺激与改变。本研究提出将主动伪装融入材料内在功能，由此引入了自适应光致变色（SAP）概念，旨在使材料颜色随入射光颜色变化而保持一致，设计基于互补色原理。在暗态下，材料于可见光波段呈现均匀吸收带，表现为黑色；经特定波长光照射后，该波长处吸光度下降，形成吸收光谱间隙，实现颜色转变（图1B）。因此，材料需具备热可逆负光致变色特性及可见光区可调吸收窄带。供体-受体斯坦豪斯加合物（DASAs）满足这些条件，展现线性至环状异构化导致的颜色变化（图1C）。为构建SAP材料，本研究合成了D1-4四种DASAs作为负光致变色相，以及F1-4四种有机染料作为固定相（图1D），以实现可见光区域内颜色的精确调控。图1E总结了不同LED光照射条件下，各DASAs的颜色贡献，光强增强导致DASAs线性形态减少。相较于D2和D3的热力学稳定环形异构体，D1和D4能在更宽广的颜色亮度范围内调节，丰富了SAP材料的颜色多样性。

图1 DASAs的材料设计

（2）SAP材料黑暗环境下的颜色精度

构建SAP材料需优化负光致变色相（DASAs D1-4）与固定相（有机染料F1-4）的组成，涉及选择、配比及浓度调整。本文提出两种策略：（1）A策略，即平均策略，要求所有颜色贡献单元在吸光度光谱中呈现相同峰值；（2）R策略，即比值策略，通过调控各颜色单元比值，使累积吸光度光谱趋于平坦。据此，制备了A2(F4+D4)、A4(F1+F3+D1+D4)、A6、R6(F1+F2+F3+D1+D2+D4)、A8及R8等材料，其吸光谱如图2A所示。随着显色单元增多，SAP材料在可见光区的吸光谱逐渐趋于均匀且接近饱和。图2B量化分析了透射光谱携带的颜色信息，发现A4材料具有均匀分布的吸收带、高精度的黑色表现及简洁的成分组成，因此被选为SAP材料的构建基础。图2C记录了透射光谱随初始吸光度变化的曲线，当初始吸光度在0.5至4之间时，350至650nm波段的透射光谱占主导，呈现偏绿色；吸光度进一步增加时，绿色透射被抑制，A4呈现微红色（图2D）。图2E进一步量化了溶液黑色的显色精度，指出在吸光度较低时，不发光被测物体的亮度是影响色彩精度的主要因素，因此初始吸光度应大于4，以确保SAP材料精确呈现黑色原始状态。

图2 SAP材料黑暗环境下的颜色精度

（3）SAP材料在光照条件下的颜色精度

A4展现出了随溶液初始吸光度增加而扩大的可调颜色范围，该范围在吸光度A达到6时达到峰值，随后急剧缩减（图3A）。为量化颜色精确度，采用色度图中点与线夹角（Δθ）作为评估样品颜色与标准颜色差异的指标（图3B）。在绿光照射下，A4溶液的颜色随观察距离增加而逐渐趋近于入射光颜色，对于吸光度介于4至10的A4溶液，当观察距离超过100cm时，Δθ达到0，表明色差被有效消除。此外，在620nm和660nm光照射下，A4分别准确呈现出橙色和红色。因此，从颜色精度的角度出发，建议选择初始吸光度为6的A4。

图3 SAP材料在光照条件下的颜色精度

（4）SAP在溶液中的主动伪装

SAP实现主动伪装依赖于背景透射与反射光，依据环境颜色呈现特定波长（图4A）。光照前，SAP溶液呈黑色；在660nm、520nm、590nm光照射下，则分别转变为红色、绿色和黄色（图4B）。图4C验证了颜色间可逆切换的稳定性。为探究材料在背景转换中的伪装效能，将其与传统黑色墨水进行对比，结果显示SAP在从原始黑色状态历经红-绿-黄背景循环后，始终保持与背景高度一致的颜色，色彩软件分析进一步记录了切换过程中的平均RGB值，证实了主动伪装特性。图4E展示了SAP在三种不同颜色灌木丛中的出色伪装能力。此外，除单色环境响应外，本文还利用SAP材料模拟周围图案，在图4F所示实验装置下，白光照射呈现周期性红黄绿排列，与贴纸颜色精确匹配。

图4 SAP在溶液中的主动伪装

（5）SAP在薄膜和涂层上的主动伪装

SAP材料可与聚己内酯（PCL）结合制成薄膜，PCL的橡胶态为分子异构化提供了足够的空间，而其丰富的酯基则通过促进分子间质子转移，从热力学角度加速了异构化过程。将SAP薄膜置于三色光照射下，可实现相应颜色的切换（图5A）。此外，将SAP以涂料形式涂覆于模型表面（图5B），光照射后同样能转变为对应颜色（图5C）。文中还展示了“UESTC”字样，通过双束光照射实现了三色切换（图5D、E）。SAP涂层适用于不同表面，展现了其广泛的兼容性。这些结果表明SAP材料在固体状态下性能良好。

图5 SAP在薄膜和涂层上的主动伪装

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总结 & 原文链接

综上所述，本研究提出了一种自适应光致变色材料，采用DASAs变色相与染料分子固定相进行构筑，并通过优化选择、配比及浓度，实现了材料颜色的灵活切换。SAP材料在溶液及固体薄膜形态下均展现出卓越的切换性能与伪装效果，能有效与环境背景相融合。该材料在伪装系统、智能涂料及显示设备等领域具有广阔的应用前景。

DOI:10.1126/sciadv.ads2217

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