撰稿| 由课题组供稿
导读
蜂鸟，闪耀的精灵，翩然举翮间洒落一片流光溢彩，汇聚一盏明灯，照亮显示缤纷的未来。
图1 长嘴星喉蜂鸟
近期，中国科学院化学研究所李明珠研究员课题组和北京航空航天大学程群峰教授课题组合作在“动态结构色彩”的研究中取得重要进展，他们受蜂鸟羽毛独特的颜色调控机制的启发，将剪纸结构的高精度可控形变与光子晶体结构色角度依赖性相结合，首次报道了一种快速、精确、可重复调控色彩的光子晶体剪纸薄膜材料(PhC-PDMS kirigami)。该剪纸薄膜材料在外部加载下，可以准确地控制矩形鳞片的弹出角度，并且实现全光谱色彩的精确控制，同时可实现10000次以上的疲劳寿命，为动态结构色显示、传感、伪装等研究提供了崭新的平台。该研究成果以“Bioinspired Color Switchable Photonic Crystal Silicone Elastomer Kirigami”为题发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》（德国应用化学）杂志上。
大千世界，万紫千红。动态色彩作为一种重要的交流信号对于生物的生存是必不可少的。一方面，生物可以利用伪装色来躲避天敌的攻击，或将其变换成警戒色向入侵者发出警告；另一方面，闪动绚丽的色彩能让他们获得异性（传媒）的青睐。自然界中最明亮、最强烈、最持久的颜色是结构色，是由生物体中存在的微纳米结构对光的衍射、干涉、散射等物理作用引起的。在大自然的启发之下，科学家们提出了利用动态色彩的显色原理来制备显示屏的构想，并制备出了大量的动态结构色材料。这些动态结构色材料可以通过外部刺激（如光、电、力、热、磁等）来调节色彩。由于这种动态色彩是由材料反射自然光来支持显示，不仅可以显著提高显示屏的色彩质量和清晰度，同时又可以降低耗电量，因此在显示器、传感器、密码学和伪装等领域具有广阔的应用前景。
然而，这些动态结构色材料主要是通过频繁改变其周期结构来实现色彩变化，往往会导致结构脆性和结构损伤，降低其耐用性；其次，现有的动态结构色材料的响应时间较长，不能达到动态显示的要求；此外，由于材料显示的色彩与其周期结构密切相关，通过精确控制结构变化来实现结构色的准确调控仍然是一大难题。因此，实现动态结构色的快速、精确、可重复调控仍然是一个巨大的挑战。
蜂鸟是地球上最华丽的鸟类之一，它们的头部通常具有金属般光泽的羽毛，并且可以频繁的改变这些羽毛的色彩，令人称奇。研究团队通过观察长嘴星喉蜂鸟发现：蜂鸟的羽毛在不同观察角度下可以实现色彩的变化。因此，研究者认为蜂鸟是通过收缩皮下的立毛肌来控制羽毛的运动，最终使它的冠羽和颈羽产生颜色变化。
受蜂鸟羽毛色彩调控机制的启发，研究团队首先利用激光切割技术将一种非对称的阵列结构设计赋予到PDMS载体上。然后在PDMS上构筑了由单分散小球密堆积形成的二维光子晶体薄膜，得到了PhC-PDMS kirigami。由单分散聚合物小球组装而成的二维光子晶体的光子晶体带隙为赝带隙，具有很强的角度依赖性，在单轴拉伸应力的作用下，剪纸结构中的矩形鳞片会随着拉伸强度的增强从平面薄膜中翘起，剪纸结构从二维平面结构转化为三维立体结构，同时薄膜鳞片的颜色从红色转变为蓝色；在应力释放时，薄膜可恢复为初始红色。
图2 PhC-PDMS kirigami的制备过程
如何利用该PDMS剪纸薄膜实现均一一致、高精度准确可控的颜色变化？研究团队从理论和实验上研究了激光切割、剪纸图案设计以及薄膜基材的组成对剪纸结构由二维到三维变化的影响，揭示了PhC-PDMS kirigami发生面外高精度可控变形的机理。研究团队对激光切割的切口断面进行了表征，发现激光切割的切口断面呈V字形，平均倒角(α)约6.4°，利用有限元仿真模拟受力分析，发现在拉伸载荷的作用下，x方向发生收缩 (εx)，导致矩形鳞片与铰链之间的连接区域产生了yz平面的上、下表面剪切应变(γyz)。由于V形切口存在，导致下表面的剪切应变比上表面的剪切应变影响更大，最终使得矩形鳞片向面外弹出。研究发现薄膜基材的厚度和激光切口倒角α值对剪纸结构的变化起着至关重要的作用。模拟结果表明，根据不同的厚度和α，阵列单元的面外变形方式可分为四种：I. 阵列以充分弹出、但面外变形方向是随机的；II. 阵列不能充分弹出，且面外变形的方向是随机的；III. 阵列不能充分弹出，但面外变形的方向是统一的；IV. 阵列可以充分弹出，并且面外变形的方向也是统一的。模拟结果表明当薄膜厚度在0.3mm至0.5mm之间，α在5°至15°之间时，可以实现均一一致的面外弹出形变（区域 IV）。该研究团队所设计的剪纸结构表现出对实际制备误差的高度容忍性，易于实现。
图3实验与理论证明通过调控薄膜基材的厚度和激光切口倒角α值能够实现对PDMS kirigami拉伸形变的可控设计，从而实现矩形鳞片可控均一的翘起。
当拉伸PhC-PDMS kirigami时，可以实现薄膜色彩的全色系变化。这是由于PhC矩形鳞片的颜色主要受弹出角度φ控制，而φ与单轴拉伸载荷是一一对应的关系，因此可以实现色彩的精确调控。此外，该色彩变化在10000次的循环控制下，仍然保持稳定。
图4 结构色精确可控的PhC-PDMS kirigami
图5 PhC-PDMS kirigami的应用：利用薄膜厚度对翘起角度的控制关系，通过控制薄膜厚度分布，有效地实现了显示设计的图案化。
综上所述，研究团队受蜂鸟羽毛色彩调控机制的启发，制备了一种柔性、机械致动、具有光子晶体涂层的彩色PhC-PDMS kirigami薄膜。研究团队，巧妙的将剪纸结构的高精度可控形变与光子晶体结构色角度依赖性相结合，突破传统的采用对微纳米周期结构和组成的改变获得颜色调控的方法，转变思维，另辟蹊径，制备了稳定性高、循环寿命长、精确可编程的全彩显示器。与此同时，受生物启发的PhC-PDMS kirigami显示出了在体育行业、医疗应用、可穿戴伪装和低能耗无需背光源的彩色显示器的重要应用前景，为反射式显示技术和产品的开发与应用开辟了新的途径。
本工作中国科学院化学研究所为第一完成单位，中国科学院化学研究所博士生赖欣涛、北京航空航天大学博士生彭景淞和北京航空航天大学程群峰教授为共同第一作者。中国科学院化学研究所李明珠研究员为该论文的通讯作者。合作者还包括中国科学院化学研究所宋延林研究员、北京航空航天大学江雷院士、清华大学邹贵生教授、刘磊副教授等。该研究得到了国家自然科学基金委项目、牛顿高级学者基金项目、北京市自然科学基金项目以及“111计划”项目的资助。
文章链接
https://doi.org/10.1002/anie.202103045
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
