手机腕带一弯就变色？新型光子凝胶让日常物品成为智能显示器

有这样一种光子凝胶，当像挤牙膏一样把它涂在纸上或塑料上，只需轻轻一拍、轻轻一折或用手指一划，光子凝胶就能在短短一秒钟内从白色变成彩虹色，未来有望让日常生活用品变得既漂亮又环保。这便是由来自上海交通大学的研究人员打造出的最新材料。

（来源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236）

什么是结构色？为什么它很特别？

我们平时看到的颜色大部分都是色素色，比如一种颜料之所以呈现出红色，是因为它吸收了其他颜色的光，以至于只发射红色。而结构色就像蝴蝶翅膀、孔雀羽毛或者肥皂泡的颜色，本身没有色素，只是依靠其表面微小的、规则排列的结构来反射特定颜色的光。

我们可以把结构色想象成为无数个极其微小的“镜子”，这些镜子其实是只有头发丝千分之一大小的塑料小球或玻璃小球，它们按照非常整齐的队列排。当光芒照射上去之后，这些小镜子只让某种颜色的光以一致的步调反射出来，其他颜色的光则会被抵消，于是我们就能看到非常鲜艳纯净的颜色。

结构色有很多优点：它不会像颜料那样褪色，色彩往往更加闪亮，也有着金属或者珍珠般的光泽，而且更加环保。但在过去，人们很难制造大面积和高质量的结构色材料，要么速度很慢、要么成本高昂，遑论用于日常生活了。

（来源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236）

一拍即晶的秘密配方

而该团队能够解决上述难题，在于采用了光子凝胶这种特殊的果冻。它的配方制作流程非常简单：

首先，准备大小完全相同的微小塑料球或玻璃球，直径大约 200 纳米，这一尺寸比细菌还要小得多。其次，把这些小球均匀地混合到一种黏稠的胶水里，这种胶水既可以是我们常见的甘油和蜂蜜，也可以是从甘蔗中提取出来的麦芽糖浆。这些材料不仅安全和常见，甚至可以食用。

当把这些小球泡在胶水里的时候，它们就像被冻住了一样，乱糟糟地挤在一起，看起来就是一团白色的膏状物，没有任何的颜色。但是，只需给它施加一个快速的剪切力，也就是让膏体的上下两层发生快速和微小的错动，这时就能瞬间反射出鲜艳的颜色。

我们可以把这种剪切力想象为洗牌。原来杂乱无章的小球，在快速、有规律的剪切动作之下，迅速被整理得整整齐齐。在这项研究中，洗牌的方式简单而有趣：即把涂有凝胶的薄膜轻轻一弯，或者用手指快速划过其表面，甚至拿着纸片啪地抖动一下，就完成了洗牌和整理的过程。

之所以这么快，是因为使用传统方法让这些小球进行整齐排列时，需要上千次缓慢的剪切，或者要等待好几天让它自己慢慢沉淀和结晶。而光子凝胶的配方，通过选择胶水的黏度和调节小球的浓度，可以让小球门处于一个跃跃欲试的状态。

这时，只需一个 0.05 到 0.5 秒的快速剪切动作，就能在胶水的帮助之下，迅速找到自己的位置，排列成为整齐的阅兵方阵也就是面心立方晶体，从而能够瞬间发射出来鲜艳的颜色。

（来源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236）

那么，这个变色过程是如何被操控的？这里涉及到几个关键的“控制器”：胶水黏度控制器、小球浓度控制器、剪切力大小控制器。

胶水既不能太稀，也不能太稠，像甘油这样黏度适中的胶水，是让小球一拍即合的最佳帮手。凝胶中小球的密度也很关键，该团队通过实验找到了最佳比例，让小球门既可以就近交流，又有足够的空间在剪切时换位排列。

同时，轻轻地弯一下和大幅度弯一下，所产生的效果也不相同。小力度剪切可以生长出非常完美的超大晶体，色彩极纯；而大力度剪切则能让整个材料更快地全部变为晶体。通过进行这些调节，即可让光子凝胶在不同的需求之下，展现出最佳的变色性能。

在应用前景上：首先，本次成果可被用于智能交互与显示，把它做成薄膜贴在手机或智能手表腕带上，通过弯曲或触摸，就能显示简单的图案或者信息，实现无屏幕的交互；其次，可用于绿色印刷与绿色涂料，这种基于水和甘油的光子凝胶非常环保，可以使用卷对卷印刷机将其印刷在纸张和塑料薄膜上，制作成为环保海报、装饰材料甚至建筑外墙涂层等。

参考资料：

相关论文https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236