變色龍皮膚表面周期性排列的鳥嘌呤納米晶可以選擇性反射可見光,使皮膚呈現(xiàn)虹彩結構色。當遇到危險或刺激時,變色龍通過改變皮膚拉伸率調(diào)整顆粒間距,實現(xiàn)皮膚結構色從紅到藍的快速轉變,這種特殊的力致變色特性引起科研工作者廣泛關注。設計制備具有明亮結構色和高靈敏度的人工仿生變色龍皮膚已成為膠體領域和光物理學領域的研究熱點。研究發(fā)現(xiàn),變色龍皮膚中相鄰鳥嘌呤納米晶之間的距離(Ds-s)和折射率對比度(Δn)對力致色變性能和結構色飽和度具有關鍵作用。然而,目前已報道的仿生變色龍皮膚具有較小的Ds-s和Δn,導致材料性能存在靈敏度低,結構色弱、穩(wěn)定性差等問題。構建大Ds-s和Δn的非密堆積有序結構是制備高性能人工變色龍皮膚的前提,也是一項巨大挑戰(zhàn)。
圖 1 人工變色龍皮膚的仿生原理及合成示意圖
廣東工業(yè)大學材能學院楊東朋副教授和黃少銘教授團隊受變色龍結構啟發(fā),從構建非密堆積有序結構入手,基于SiO2膠體顆粒在聚合物中非密堆積組裝,通過改變聚合物折射率和SiO2濃度分別調(diào)控Δn和Ds-s的策略,成功制備出靈敏度高和結構色明亮的人工變色龍皮膚(力致色變膠體晶)。制備的人工變色龍皮膚具有優(yōu)異的力致變色性能,如波長調(diào)變范圍大(Δλ = 205 nm)、靈敏度高(3.7 nm/%)、響應速度快(2.2 nm/ms)、穩(wěn)定性好(>1年)和可逆性佳(>100次)等。由于具有高靈敏度,制備的力致色變膠體晶可以通過輸出不同結構色報告蚯蚓蠕動過程中皮膚應變的變化。

圖 2 人工變色龍皮膚用于自報告蚯蚓皮膚應變
這項工作為設計和制備結構色明亮、靈敏度高的力致變色膠體晶提供了新思路,并將促進力致變色膠體晶在生物監(jiān)測、光學器件、綠色印刷和全彩顯示中的應用。該工作以“Chameleon-Inspired Brilliant and Sensitive Mechano-Chromic Photonic Skins for Self-Reporting the Strains of Earthworms”為題發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces,廣東工業(yè)大學博士生胡洋為文章的第一作者,楊東朋副教授和黃少銘教授為本論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和廣東省自然科學基金的支持。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.2c00561
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