“變色龍”般的新型材料，開辟智能材料新方向
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-05-19 14:11:07
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近年來，非平衡態(tài)物質(zhì)的研究已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的生物體系拓展到以人工合成材料為基礎(chǔ)的活性物質(zhì)。其中，最典型的研究是以微納米馬達(dá)和納米機(jī)器人為目標(biāo)的軟物質(zhì)物理研究。研究者通過在微納米粒子的表面構(gòu)建非對稱化學(xué)反應(yīng)位點(diǎn)的方法，可以方便地使膠體粒子實(shí)現(xiàn)在溶液環(huán)境中的自推進(jìn)運(yùn)動，并且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程多自由度的操縱，為下一步的材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。 另一方面，非平衡態(tài)物質(zhì)也表現(xiàn)出一系列與平衡態(tài)物質(zhì)迥異的性質(zhì)。可以預(yù)見，將這些新奇的性質(zhì)應(yīng)用在新材料研究中，可望發(fā)展出一個(gè)全新的活性功能材料體系。香港大學(xué)化學(xué)系的唐晉堯團(tuán)隊(duì)基于團(tuán)隊(duì)在光控微納米機(jī)器人成果與香港科技大學(xué)、廈門大學(xué)合作，展示了一種自適應(yīng)的變色活性功能材料。 5月17日,廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,侯旭團(tuán)隊(duì)副教授鄭靖與合作者的科研成果在國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表.成果顯示，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種像“變色龍”般的新型活性膠體材料，通過控制光可以使它呈現(xiàn)變化多端的圖案與色彩，這項(xiàng)新技術(shù)比傳統(tǒng)的變色材料更加可靠和便利，為活性智能材料的設(shè)計(jì)開辟了新的方向！ 研究靈感 在自然界中，章魚、墨魚、魷魚等頭足類動物具有強(qiáng)大的變色偽裝能力——它們可以通過控制肌肉，將皮膚表面下成千上萬的色素顆粒進(jìn)行重新排布，從而根據(jù)周圍環(huán)境的變化快速調(diào)節(jié)膚色，達(dá)到偽裝掩飾的目的。 受到這種自然現(xiàn)象的啟發(fā)，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院侯旭團(tuán)隊(duì)鄭靖副教授和香港大學(xué)唐晉堯教授合作開發(fā)了一種新型的光致變色活性膠體材料，實(shí)現(xiàn)了對多組分非平衡態(tài)體系的多自由度控制和可編程的光響應(yīng)相分離，為彩色電子紙和自供電光學(xué)偽裝提供了一種簡便的方法。 5月17日，這項(xiàng)研究成果以“Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation”為題在線發(fā)表于Nature。廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院鄭靖副教授為論文第一作者，香港大學(xué)唐晉堯教授為論文通訊作者。侯旭教授對本研究給予大力支持并參與論文討論修改，香港科技大學(xué)李志剛教授、童彭爾教授和香港大學(xué)王宇鋒教授參與文章討論，陳靖遠(yuǎn)博士、靳亞康博士、溫言博士、牧一江博士、吳昌進(jìn)博士參與了該論文的部分工作。 如變色龍般的智能膠體 在彩色電子紙的應(yīng)用中，帶電顏色粒子可以根據(jù)施加電壓的情況實(shí)現(xiàn)不同聚散和分布情況，因而可以用來顯示不同的圖像和文字。基于此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型活性膠體材料，通過控制光控制膠體粒子的不同聚散形態(tài)，形成多種不同的“相”，并達(dá)致宏觀變色的效果。“相”是物質(zhì)在不同狀態(tài)、不同結(jié)構(gòu)下的不同形態(tài)或表現(xiàn)形式。這種膠體可受光的影響，通過控制這些“相”之間的比例和位置，制造出更復(fù)雜的微米級結(jié)構(gòu)。 簡而言之，就是可以運(yùn)用光學(xué)活性材料呈現(xiàn)出變化多端的圖案與色彩。 活性智能材料的新突破 近年來，光驅(qū)微納米機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展為研發(fā)活性材料提供了良好的環(huán)境。人們可以通過改變?nèi)肷涔獾墓鈴?qiáng)、波長、偏振等因素而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)粒子的速度與運(yùn)動方向，并透過改變局域化學(xué)梯度場改變粒子間的有效相互作用。這為實(shí)現(xiàn)活性粒子的智能化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)群體智能提供了重要的契機(jī)。 基于此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種波長選擇性TiO2活性膠體系統(tǒng)，其中活性膠體粒子用光譜特征染料編碼，形成光致變色膠體群。粒子-粒子的相互作用可以通過結(jié)合不同波長和強(qiáng)度的入射光來靈活調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)可控的膠體聚集和分離，為研究微納粒子的相行為和結(jié)構(gòu)演化動力學(xué)提供了理想的模型。 受自然界中光致變色現(xiàn)象啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過混合青色、品紅和黃色膠體形成動態(tài)光致變色墨水，并在宏觀上實(shí)現(xiàn)了光致變色。 這項(xiàng)新技術(shù)比傳統(tǒng)的變色材料更加可靠和便利，為彩色電子紙和自供電光學(xué)偽裝等應(yīng)用提供了一種更加簡便的方法，有助于促進(jìn)人類對人造活性材料的“群體智能”的理解，并為活性智能材料的設(shè)計(jì)開辟新方向。 只有積小步才能成大步 和大多數(shù)重大創(chuàng)新成果的誕生過程一樣，本次成果的取得也不是一日之功： 論文第一作者鄭靖2018年還在香港大學(xué)從事博士后研究之時(shí)，就在導(dǎo)師唐晉堯教授的指導(dǎo)和支持下開展相關(guān)的研究工作，直至2022年2月正式加盟廈大化院侯旭團(tuán)隊(duì)，依然在進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)以及論文修改。 從想法的提出到論文的刊發(fā)，五年的時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)投入了大量的時(shí)間和精力在“觀察”和“試錯(cuò)”上。 粒子運(yùn)動觀測和圖像拍攝需要借助顯微鏡完成，團(tuán)隊(duì)必須高度專注地觀察不同的實(shí)驗(yàn)條件下圖像細(xì)微的變化。“最難的是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)微小現(xiàn)象后，要及時(shí)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化。錯(cuò)過任何一個(gè)細(xì)節(jié)，結(jié)果都可能謬之千里。”鄭靖說。 從各色的染料到各類的光譜，光強(qiáng)多少？波長多少？光路如何設(shè)計(jì)搭建……團(tuán)隊(duì)需要在一次次的定量微量調(diào)節(jié)中，認(rèn)真觀測哪種組合有效果，并進(jìn)行仔細(xì)篩分，之后通過表界面改性，調(diào)整粒子的光譜吸收，調(diào)整粒子對不同的光的響應(yīng)。為了得到理想的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果，團(tuán)隊(duì)日以繼夜奮戰(zhàn)在實(shí)驗(yàn)室，甚至2022年大年初一的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)還在討論和修改論文。守得云開見月明，在反復(fù)的觀測和試驗(yàn)中，顯微鏡下的圖像變得越來越清晰。 “對每個(gè)科研人來說，做研究沒有捷徑，只有積小步才能成大步，奮斗這條路上沒有終點(diǎn)。”鄭靖說。 受變色龍啟發(fā)創(chuàng)造出的其他新材料 人類是最善于學(xué)習(xí)和創(chuàng)造的高級動物。變色龍的本事使不少軍事家和材料科學(xué)家羨慕不已，都想學(xué)學(xué)變色龍的本領(lǐng),看看它是怎樣練就這身變色功夫的。后來發(fā)現(xiàn)它的真皮內(nèi)有多種色素細(xì)胞,通過伸縮身體而使表皮色素細(xì)胞發(fā)生變化,也就變化出多種顏色。 1989年日本東邦人造纖維公司研制出一種叫絲為伊變衣服,在室內(nèi)穿時(shí)是一種顏色,但到室外在陽光下一曬,它就變成藍(lán)色或紫色。原來，這種衣服是用一種能因感受紫外線而改變顏色的有機(jī)纖維制成的,只要太陽中的紫外線照到衣服上,顏色就發(fā)生變化。日本東邦人造纖維公司還制造了一種變色游泳衣,穿這種游泳衣的人在岸上是一種顏色,只要一跳進(jìn)游泳池，它就會變出紅藍(lán)綠等鮮艷色彩。原來,這種衣服是用一種感溫纖維制成的,只要周圍溫度一變化,它的顏色就會改變。感溫變色游泳衣就是利用野外室內(nèi)水中和海岸溫度的不同而變化出各種顏色的,它給人以美的享受和刺激。 1991年在倫敦舉行過一次別開生面的時(shí)裝表演，女模特身著款式新穎的時(shí)裝行走時(shí),服裝不斷改變顏色。原來這是英國的材料科學(xué)家研制的一種液晶服裝面料，這種面料在28-33C的范圍內(nèi)具有變幻莫測的色彩。如在28C時(shí)衣服呈紅色,在33C時(shí)又呈黃色。模特在行走時(shí)使衣服以不同速度和方向擺動,身體各部位的體溫就發(fā)生變化,這樣時(shí)裝就會變幻出彩虹般的迷人色彩。 2023年2月，天津大學(xué) 封偉教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)新型智能材料。這種新材料不僅能變色，還有形狀記憶和自愈合功能。該研究被選為國際期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》封面文章。 研究人員受自然界變色龍智能變色機(jī)制啟發(fā)，將動態(tài)共價(jià)硼酸酯鍵引入主鏈型膽甾相液晶彈性體中，同時(shí)利用熱激發(fā)動態(tài)B-O鍵交換特性，實(shí)現(xiàn)了變色薄膜的任意顏色和三維形狀可控編程，并且其形狀和顏色能夠通過改變溫度實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)控，成功研發(fā)新型智能材料——“智能變色液晶高分子薄膜”。 據(jù)介紹，這種新材料厚度只有200微米，兼具力致變色、形狀可編程和優(yōu)異的室溫自修復(fù)能力：在被拉伸時(shí)可以發(fā)生顏色變化；被切斷后在斷口處加幾滴水，一段時(shí)間后材料就能重新愈合，從而具有更長的使用壽命。該材料還擁有“記憶編程”特性，可以被拉伸成任意二維或三維形狀并保持不變，當(dāng)材料加熱到相變溫度以上后，又能恢復(fù)到最初的形狀。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_526898.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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