仿生材料一直是材料領(lǐng)域的研究熱點,北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院楊槐教授團隊通過仿生頭足類動物的隱身變色機制,成功開發(fā)了一種高敏感度、色域變化范圍廣、高色彩鮮艷度的仿生力致變色膽甾相液晶彈性體。
自然界中一些生物在漫長的進(jìn)化過程中,獲得了在復(fù)雜的自然環(huán)境中“隱身”的能力,實現(xiàn)捕食或躲避危險的目的。頭足類動物(例如章魚)變色“隱身”能力尤為突出,這是由于它們同時具有兩種變色機制不同的細(xì)胞:色素細(xì)胞(chromatophores)和虹彩細(xì)胞(iridophores)。兩種細(xì)胞層在肌肉的拉伸或收縮力的作用下,分別可以改變其皮膚的色素色和結(jié)構(gòu)色,實現(xiàn)兩種變色機制的協(xié)同作用。當(dāng)前,仿生力致變色材料的研究大多只基于結(jié)構(gòu)色變色或色素色變色中的一種。其中結(jié)構(gòu)色變色具有反應(yīng)快的優(yōu)點,但其顏色對比度通常較低,具有角度依賴性;而色素色變色的鮮艷程度較高,但變色基元通常需要較大的應(yīng)力才能響應(yīng)變色,敏感度較低。
近日,北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院楊槐教授團隊通過仿生頭足類動物的隱身變色機理,將可交聯(lián)的螺吡喃分子(SPBM)引入膽甾相液晶彈性體中。并通過在體系中摻雜經(jīng)修飾的納米粒子,利用應(yīng)力集中效應(yīng)有效提升了螺吡喃分子對應(yīng)力的敏感度,成功開發(fā)了一種高敏感度、色域變化范圍廣、高色彩鮮艷度的仿生力致變色膽甾相液晶彈性體。
圖1. 可交聯(lián)螺吡喃分子的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)
膽甾相液晶彈性體(Cholesteric Liquid Crystal Elastomers, CLCE)是一種具有周期性螺旋超結(jié)構(gòu)的的手性軟光子晶體。通過改變CLCE周期性螺旋結(jié)構(gòu)的螺距可以動態(tài)調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)色。將具有力致色素色變色功能的SPBMs引入CLCE體系中,可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)色與色素色動態(tài)調(diào)制的結(jié)合。但傳統(tǒng)CLCE體系制備的彈性體通常模量不高,拉伸狀態(tài)產(chǎn)生的應(yīng)力難以達(dá)到觸發(fā)螺吡喃開環(huán)的條件。
圖2. a)未添加納米粒子體系在不同拉伸率下的吸收光譜以及實物圖;b)添加納米粒子體系在不同拉伸率下的吸收光譜以及實物圖。
圖3. 仿生薄膜的機理示意圖。
對比圖4中CLCE與BLCE的反射光譜,BLCE相較CLCE,在同樣0-100%的拉伸率下,BLCE具有更廣的變色范圍。在BLCE不同拉伸長度下的透過光譜中,于462nm處出現(xiàn)SPBMs色素色變色的特征峰,并隨著拉伸長度的增加而變強,薄膜的顏色由結(jié)構(gòu)色與色素色疊加呈現(xiàn)。通過實物照片對比可以看出,BLCE的顏色明顯更加鮮艷,色域也更廣。
圖4. a) CLCE在不同拉伸狀態(tài)下的反射光譜、透過光譜和實物圖。b) BLCE在不同拉伸狀態(tài)下的反射光譜、透過光譜和實物圖。

圖5. BLCE薄膜可以通過對其施加外力的方式,在不同背景下改變顏色,達(dá)到隱身的效果。并且通過梯度聚合的方式,對薄膜進(jìn)行圖案編程,并在拉伸之后顯現(xiàn)出圖案。
本工作鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202205325
相關(guān)前期工作鏈接: https://doi.org/10.1002/anie.202107048
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