具有即时变色能力的新型柔性聚合物膜

关键词：变色；聚合物膜；结构；

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宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员正在从色彩鲜艳的鱿鱼的伪装中汲取灵感。这些研究人员使用由螺旋状排列的液晶聚合物网络制成的薄而柔韧的膜，开发出一种人造色素团，可以根据指令立即改变颜色——从近红外到可见光再到紫外光。

轻轻一触即可变色

这些膜位于排列成网格的微小腔体上，每个腔体都可以气动充气到精确的压力。当空腔膨胀时，膜被拉伸，其厚度缩小并改变其外观颜色。

至关重要的是，这些膜不需要拉伸太多就可以达到这种效果。使用相当于轻轻触摸的压力，它们的颜色就可以改变为可见光谱内的任何颜色。而使用类似机制的变色材料，需要变形 75% 才能从红色变为蓝色，因此无法在具有固定尺寸的环境中使用，例如显示器或窗户。

需要的变形小于 20%

由于人工色素团需要小于 20% 的变形才能达到相同的效果，因此它们可以像 LCD 显示器中的像素一样排列。而且由于研究系统中的分层液晶具有自己的反射颜色，因此它们不需要背光，不需要恒定的电源来保持其固有的充满活力的外观。

虽然研究人员的原型显示器每个只有几十个像素，但一项展示其变色能力背后原理的研究概述了它们在各种伪装技术中的潜力，以及在建筑、机器人、传感器和其他领域的应用。

该研究由 Joseph Bordogna 教授兼材料科学与工程系系主任 Shu Yang 和她实验室的博士后研究员 Se-Um Kim 领导。杨实验室成员 Young-Joo Lee、Jiaqi Liu、Dae Seok Kim 和 Haihuan Wang 也对这项研究做出了贡献。

不断变化的结构颜色

“我们实验室一直对结构色很感兴趣，包括如何通过机械力改变它，”杨说。“例如，我们之前已经证明，一种变色聚合物可能预示着士兵和运动员的脑外伤。在观察一些动物如何进化结构颜色时，我们意识到它们有弹性细胞，可以像显示器中的像素一样工作，我们可能会采取类似的方法。”

当光与表面的微观特征相互作用时，会产生结构色，这种现象使蝴蝶翅膀和孔雀羽毛呈现虹彩，通常比颜料或染料基颜色更亮。就研究人员的显示器而言，这些特征存在于称为“主链手性向列液晶弹性体”或 MCLCE 的一类材料中。液晶本质上是各向异性材料，这意味着它们的特性会根据它们的方向取向而变化。MCLCE 的螺旋形状允许大的弹性各向异性，因为螺旋的螺距可以很容易地改变。

当显示器中的空腔膨胀时，其 MCLCE 膜会被拉伸。就像压缩弹簧一样，这会减少膜内液晶螺旋的间距，从而改变在观察者处反射的光的波长。

高水平的控制

通过绘制出使每个人工色素团达到所需颜色所需的确切压力，研究人员能够像显示器中的像素一样对它们进行编程。即使每个像素没有单独的气动泵，这种控制水平也是可能的。

“我想在一个简单的操作中同时生成红色、绿色和蓝色，”Kim 说，“所以我将不同宽度的腔体连接到同一个空气通道。这意味着，尽管承受相同的压力，但每个像素的变形程度和颜色各不相同，从而降低了整个设备的复杂性。”

仅使用两个空气通道，研究人员的原型就可以产生与周围表面的阴影和纹理相匹配的 7×5 棋盘图案。通过七个通道，它们可以以 LCD 时钟中的七段彩色显示器的风格呈现数字。

研究人员认为，MCCLEs 独特的机械变色性能将激发新的仿生光子器件和传感器的创造，尽管该材料的机制相对简单，但它们具有高度的敏感性和复杂性。他们还计划进一步展示 3D 显示器，以及通过改变颜色来响应环境温度的“智能”窗户。