化學所李明珠研究員課題組和北航程群峰教授課題組合作Angew：仿生可變色的光子晶體硅彈性體剪紙藝術

非金非土非木

2021年4月27日 10:47

來源：X-MOL資訊

蜂鳥，閃耀的精靈，翩然舉翮間灑落一片流光溢彩，匯聚一盞明燈，照亮顯示繽紛的未來。

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圖1. 長嘴星喉蜂鳥

動態(tài)色彩作為一種重要的交流信號對于許多生物的生存是必不可少的。一方面，生物可以利用偽裝色來躲避天敵的攻擊，或?qū)⑵渥儞Q成警戒色向入侵者發(fā)出警告；另一方面，閃動絢麗的色彩能讓它們獲得異性（傳媒）的青睞。在大自然的啟發(fā)之下，科學家們提出了利用動態(tài)色彩的顯色原理來制備顯示屏的構想，并制備出了大量可以通過外部刺激（如光、電、力、熱、磁等）來調(diào)節(jié)顏色的動態(tài)結(jié)構色材料。但是，這些動態(tài)結(jié)構色材料主要是通過改變其周期結(jié)構和組成來實現(xiàn)色彩變化，頻繁的結(jié)構變化往往會導致微納精細結(jié)構的損傷，可重復性差；其次，現(xiàn)有的動態(tài)結(jié)構色材料的響應時間較長，很難實現(xiàn)結(jié)構色的高精度準確調(diào)控，不能滿足動態(tài)顯示的要求。因此，如何實現(xiàn)動態(tài)結(jié)構色的快速、精確、可重復調(diào)控，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近期， 中國科學院化學研究所李明珠研究員課題組和 北京航空航天大學程群峰教授課題組合作，受蜂鳥羽毛色彩調(diào)控機制的啟發(fā)，制備了一種 柔性、機械致動、具有光子晶體涂層的彩色PhC-PDMS kirigami薄膜，能夠?qū)崿F(xiàn)全光譜色彩的精確控制，并且可實現(xiàn)10000次以上的循環(huán)。研究團隊利用激光切割技術將一種非對稱的陣列結(jié)構設計賦予到PDMS載體上，然后在PDMS上構筑了由單分散小球密堆積形成的二維光子晶體薄膜，得到了PhC-PDMS kirigami。由單分散聚合物小球組裝而成的二維光子晶體的光子晶體帶隙為贗帶隙，具有很強的角度依賴性。在單軸拉伸應力的作用下，剪紙結(jié)構中的矩形鱗片會隨著拉伸強度的增強從平面薄膜中翹起，剪紙結(jié)構從二維平面結(jié)構轉(zhuǎn)化為三維立體結(jié)構，同時薄膜鱗片的顏色從紅色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{色；當應力釋放時，薄膜可恢復為初始紅色。

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圖2. PhC-PDMS kirigami的制備過程

當拉伸PhC-PDMS kirigami時，PhC矩形鱗片彈出角度與單軸拉伸載荷相關，僅需要27%拉伸量，彈出角度即可實現(xiàn)0°~ 46°的變化，當固定光源與觀測角度時，PhC矩形鱗片的顏色與彈出角度一一對應，從而薄膜色彩能夠在全可見光譜范圍內(nèi)精確調(diào)控。由于在整個變色過程中，只是宏觀剪紙結(jié)構的變化，PhC矩形鱗片表面的納米周期結(jié)構并沒有改變，因此經(jīng)過10000次循環(huán)，PhC矩形鱗片色彩仍然與初始狀態(tài)一致，并且能夠精確調(diào)控獲得目標顏色。

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圖3. 結(jié)構色精確可控的PhC-PDMS kirigami

利用PhC-PDMS kirigami結(jié)構色的精確可調(diào)特性，研究團隊演示了其用于關節(jié)運動監(jiān)測、交通信號指示燈和全彩顯示器等的可視化應用。值得注意的是，PhC-PDMS kirigami除了可以實現(xiàn)色彩均勻一致的顯示之外，還可以利用厚度對翹起角度的控制關系實現(xiàn)圖案化的顯示。研究團隊分別設計了具有橫向厚度梯度和縱向厚度梯度的PhC-PDMS kirigami。當薄膜受到單軸拉伸應力時，由于厚度的差異導致了矩形鱗片翹起角度不同，從而使薄膜顯示出漸變的結(jié)構色。此外，研究團隊還實現(xiàn)了不同數(shù)字的可編程顯示。PhC-PDMS kirigami顯示出了在體育行業(yè)、醫(yī)療應用、可穿戴偽裝和低能耗無需背光源的彩色顯示器的重要應用前景，為反射式顯示技術和產(chǎn)品的開發(fā)與應用開辟了新的途徑。

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圖4. PhC-PDMS kirigami的應用：利用薄膜厚度對翹起角度的控制關系，通過控制薄膜厚度分布，有效地實現(xiàn)了圖案化顯示。

該研究成果發(fā)表在國際頂級期刊《德國應用化學》（ Angewandte Chemie International Edition ）雜志上。本工作中國科學院化學研究所為第一完成單位，中國科學院化學研究所博士生 賴欣濤、北京航空航天大學博士生 彭景淞和北京航空航天大學 程群峰教授為共同第一作者。中國科學院化學研究所 李明珠研究員為該論文的通訊作者。合作者還包括中國科學院化學研究所 宋延林研究員、北京航空航天大學江雷院士、清華大學 鄒貴生教授、劉磊副教授等。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/anie.202103045

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