在“物競天擇，適者生存”的法則之下，自然界中的生物們各顯神通，進化出了許多令人驚奇的特殊技能。其中有一些“變色大師”，比如變色龍、章魚等（圖1），能夠在短時間內改變自己的面板顏色，既可以隱藏於環境中迷惑天敵或獵物，也可以表現得鮮豔而危險以嚇退入侵者，還可以變換條紋或斑點和同類“說話”。
圖1 變色龍和章魚（圖片來自網路）
那麼，這些生物是如何做到隨心所欲地變色的呢？以章魚為例，它們的面板中聚集著數百萬個紅、黃、黑色的色素細胞，一旦周圍環境發生變化，它們的大腦就會指示與這些色素細胞相連的肌肉細胞收縮或舒張，從而控制不同色素細胞的暴露面積，把自身整體調整為與環境相近的顏色（圖2）。
圖2 章魚面板中的色素細胞變化（圖片來自網路）
生物們感知環境變化並及時做出反應的能力也早已引起了研究者們的關注，受它們各種精巧的變色機制啟發，許多能像生物一樣在不同條件刺激（溫度、酸鹼度、溼度、光照等）下呈現出特異的顏色或圖案的智慧變色材料應運而生，並在感測檢測、資訊加密、柔性顯示、仿生偽裝等領域發揮出巨大的作用。
不過，目前的人工材料多是透過向體系中引入具有刺激響應性的髮色團實現變色，型別有限，合成難度大，並且在快速響應、穩定可逆、精確多色調控等方面的效能遠不及生物體。近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智慧高分子材料課題組陳濤研究員與路偉研究員模仿章魚“利用色素細胞變形驅動面板變色”的機制，報道了一種“光控多色熒光凝膠驅動”調製的智慧圖案顯示系統，為解決這些問題提供了一種新思路。
這一系統的核心是由二維碳奈米管（CNTs）薄膜、聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜和多色熒光高分子凝膠透過層層複合得到的非對稱近紅外光響應熒光碟機動器（圖3a）。當近紅外光照射黑色的CNTs一側時，具有光熱效應的CNTs層可以將光能轉化為熱量，並傳遞給相鄰的PDMS層。在高溫下，PDMS層受熱膨脹，導致整個驅動器自發地向多色熒光凝膠一側彎曲。把這個可變形的驅動器裝載到區域性鏤空的定製圖案顯示面板下方後，可以看到隨著驅動器的彎曲，器件頂部將同步地表現出熒光圖案的變化（圖3b），即從藍色逐漸變為紅色。
圖3 智慧圖案顯示系統的基本結構和光控變色過程
基於上述原理，我們可以在這樣的智慧熒光器件上呈現種子發芽（圖4）、火炬燃起（圖5）等動態變化的圖案。比如在圖4中，近紅外光關閉時，器件內部的綠色熒光碟機動器為直立狀態，處於我們的視野盲區，此時器件頂部只顯示一個黃色的小土堆。近紅外光開啟後，器件內部的綠色熒光碟機動器逐漸彎曲，從而出現在我們的觀察視野中，器件頂部隨之顯示一個破土而出的綠色幼苗。類似地，沒有近紅外光刺激的情況下，圖5的器件頂部顯示的是一個舉著黃色火炬的綠色小人。隨著近紅外光刺激下的紅色熒光碟機動器逐漸升溫變形，我們可以看到在黃色火炬中逐漸升起紅色火焰。
圖4 種子發芽
圖5 火炬燃起
更重要的是，透過改變近紅外光功率的大小，可以對驅動器的升溫速度和彎曲程度進行遠端調控，從而在相同的光照時間下，器件頂部顯示的熒光圖案或資訊也會相應變化（圖6-7）。由此，我們可以利用單一的刺激源在同一器件上輸出多種不同的結果，實現對熒光圖案的精確按需調控，這也是目前絕大多數智慧變色材料難以做到的。此外，由於這類系統的變色是透過材料的機械變形實現的，所以具有刺激響應性的髮色團不再是必需的，這也大大擴寬了熒光材料的選擇範圍。
圖6 不同功率下的熒光圖案顯示
圖7 不同功率下的熒光編碼顯示
可以預見的是，機械作用介導的智慧變色體系還有著巨大的發展空間。未來，這類熒光顯示系統的應用也不僅僅是為我們展示豐富多變的圖案，還可以作為高階的防偽標籤用於日常生活，或是作為靈敏的仿生面板用於軍事偽裝等。
來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
