結(jié)構(gòu)色是自然界中最奇異的現(xiàn)象之一，它是由光對(duì)納米結(jié)構(gòu)的干涉而產(chǎn)生的，在動(dòng)植物中經(jīng)常出現(xiàn)。與色素不同，結(jié)構(gòu)色具有環(huán)保、不褪色的顯著特點(diǎn)，一些生物甚至能夠快速可逆地改變顏色，用于偽裝、交配和群體防御。其中，變色龍是最重要的代表之一。通過(guò)拉緊或放松皮膚，變色龍可以改變光從鳥(niǎo)嘌呤晶體表面反射的方式，產(chǎn)生所謂的結(jié)構(gòu)色?？茖W(xué)家們已經(jīng)在各種變色材料中模仿變色龍皮膚的晶體納米結(jié)構(gòu)，但它們通常很難生產(chǎn)，或者依賴于不可再生的石油資源。相比之下，纖維素納米晶（CNC）是一種可再生材料，可以自組裝成具有結(jié)構(gòu)色的薄膜。然而，這些薄膜通常是脆弱的，不像變色龍皮膚，不能拉伸而不破裂。
最近，四川大學(xué)王玉忠院士和宋飛教授在《ACS Applied Materials & Interfaces》上發(fā)表了題為“Chameleon-Inspired Variable Coloration Enabled by a Highly Flexible Photonic Cellulose Film”的文章，他們受變色龍的啟發(fā)，在CNC中引入了柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所得薄膜具有較高的柔韌性，斷裂應(yīng)變高達(dá)39%。首次在CNC材料上實(shí)現(xiàn)拉伸引起的結(jié)構(gòu)色變化。此外，薄膜的結(jié)構(gòu)色可以對(duì)濕度和壓縮響應(yīng)。通過(guò)控制環(huán)境濕度，可以顯示或隱藏?zé)o墨書(shū)寫(xiě)留下的彩色痕跡。這種生物基光子薄膜作為一種新型的“智能皮膚”，具有顯色傳感、加密、防偽等多種功能。
圖文導(dǎo)讀
CNC能夠自組裝成膽甾型液晶結(jié)構(gòu)（圖1），光與該結(jié)構(gòu)作用可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。受變色龍的彈性皮膚啟發(fā)，作者在CNC材料中引入了聚合物網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）單體光固化得到。CNC/PEGDA薄膜的結(jié)構(gòu)色隨著PEDGA含量的增加而紅移（圖2），這是因?yàn)榫酆衔锖康脑黾邮沟肅NC的螺距增加，反射峰紅移。因此可以得到從藍(lán)色到紅色的結(jié)構(gòu)色。另外，引入PEGDA網(wǎng)絡(luò)有利于提高薄膜的力學(xué)性能。添加了與CNC質(zhì)量比為1:1的PEGDA和15分鐘的紫外光照射后，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到39%。
圖1 （a）變色龍結(jié)構(gòu)色變化機(jī)理和（b）CNC/PEGDA薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備
圖2 CNC和CNC/PEGDA薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)和機(jī)械性能。
得益于CNC/PEGDA薄膜的柔韌性，它具有機(jī)械變色的特性。這是由于在拉伸過(guò)程中CNC的螺距減少，薄膜的顏色應(yīng)發(fā)生藍(lán)移。然而，顏色變化不明顯或不均勻，這可能是由于組裝后的CNC移動(dòng)性差。而且形狀恢復(fù)不完整，這可能是由于拉伸過(guò)程中形成了膠狀微粒，阻礙了恢復(fù)。另外，當(dāng)在薄膜上施加0–15 MPa的壓力時(shí)，結(jié)構(gòu)色從紅色到綠色變化。
圖3 力學(xué)性能和拉伸誘導(dǎo)的變色。
薄膜可用作光子紙，通過(guò)無(wú)墨水書(shū)寫(xiě)處理，可以在紙張上留下彩虹色的痕跡。因?yàn)镃NC和PEGDA網(wǎng)絡(luò)具有很高的親水性，薄膜和標(biāo)記會(huì)隨著環(huán)境濕度發(fā)生顏色變化，即濕度響應(yīng)。當(dāng)相對(duì)濕度增加到100%時(shí)，由于水分子進(jìn)入CNC的自組裝結(jié)構(gòu)，螺距增加，薄膜顯示紅色，在這種情況下，標(biāo)記是“隱藏”的。當(dāng)將相對(duì)濕度降低到56%和16%時(shí)會(huì)導(dǎo)致標(biāo)記的出現(xiàn)，這歸因于水分去除導(dǎo)致的螺距降低。因此可以用于信息加密。
圖5 壓縮致變色。
圖6 濕度響應(yīng)變色，可作為光子紙用于無(wú)墨水書(shū)寫(xiě)和信息加密。
亮點(diǎn)小結(jié)
綜上所述，受變色龍彈性皮膚的啟發(fā)，作者提出構(gòu)建PEG的網(wǎng)絡(luò)橋來(lái)連接CNC，制備自支撐且高度柔性的結(jié)構(gòu)色薄膜。PEG鏈的高柔韌性使CNC基薄膜具有高變形行為，斷裂應(yīng)變高達(dá)39%。首次實(shí)現(xiàn)CNC基薄膜在拉伸時(shí)呈現(xiàn)可逆的結(jié)構(gòu)色變化。此外，薄膜具有水和壓縮響應(yīng)特性，通過(guò)在受控環(huán)境條件下改變顏色，實(shí)現(xiàn)加密和防偽。
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