受蝴蝶翅膀启发,研究人员开发出一种用于光学设备的柔软变色系统

发布时间:2023-09-26 01:43:15.000Z

(MoCA): 模仿蝴蝶翅膀变色结构的像素化变色软系统。来源:《先进科学》(2023 年)。DOI: 10.1002/advs.202300347

香港大学(HKU)的研究人员设计出了一种创新的像素化软变色系统,名为 "可变形凹面阵列"(MoCA)。

 

像素化的软变色系统是一种可塑性结构,可以通过操纵光线来改变颜色。它们在各行各业都有应用,从感染时会变色的医用绷带,到智能手机和平板电脑上的可折叠屏幕,以及将传感器集成到服装面料中的可穿戴技术。

这项研究由香港大学机械工程系岑和祥教授和中国科学院化学研究所李明珠教授共同指导,并由香港大学机械工程系潘毅博士领导。

该研究发表于《先进科学》(Advanced Science)杂志,题为 "通过由二维光子晶体弹性体致动器组成的生物启发可变形凹面阵列(MoCA)实现像素化响应结构色彩"(Pixelating Responsive Structural Color via a Bioinspired Morphable Concavity Array (MoCA) Composed of 2D Photonic Crystal Elastomer Actuators)。

港大研究人员制作的MoCA是一种很薄(厚度约等于三根头发)的橡胶状结构,由两层组成--顶层是光子晶体弹性体致动器(PC-EA)薄膜,底层是孔阵列--一种有规则间隔圆孔的晶格。

PC-EA 薄膜本身由两层组成--上面是弹性体层(GPDMS),下面是水凝胶层(pNIPAM)。

如果在 pNIPAM 层中加入乙醇,它就会膨胀,由此产生的张力会将弹性体 GPDMS 层向下拉入阵列中的孔中,从而产生一个碟形凹面,称为可变形凹面 (MoC),起到像素的作用。凹面形成后,红光被阻挡,像素的可见光颜色由红色变为蓝色。

MoCA 的灵感来源于蝴蝶翅膀上被称为双色微凹面的结构,这种结构能产生鲜艳的彩虹色。

双色微是一种微小的凹坑,可以阻挡特定波长的光线,根据光线的角度和观察者的视角产生两种不同的颜色。在蝴蝶翅膀上,这些小孔排列成规则的结构,被称为光子晶体。

MoCA再现了蝴蝶翅膀的光子晶体,是首个依靠平面和凹面结构产生不同颜色的像素化变色系统,具有革命性意义。

"MoCA 的变色策略是通过改变其局部形态来实现的,特别是通过控制'平面'和'凹面'状态之间的转换。潘博士说:"这使得MoCA有别于其他像素化变色系统。

另一项突破是,像素的颜色变化可以单独操控,因为在MoCA中,每个像素都与单独的 "管道系统 "相连,乙醇通过管道系统输送。

"潘博士解释说:"我们利用多通道微流体技术引入和移除溶剂来操纵MoCA,为传统的电致变色方法提供了一种补充方法。

MoCA可用于造假,例如在服装等产品中隐藏只有在特定条件下才能看到的图案或二维码。不过,港大团队的长期目标是利用MoCA背后的原理--软物质和微流体技术,构建模仿并超越昆虫复眼功能的光学设备。

复眼包含多个光处理结构,与非复眼相比具有多种优势,例如视野更宽,能够同时聚焦于多个物体。

沈教授解释说,人眼晶状体的变形使我们能够聚焦于不同的距离。摩卡公司的技术可以使单个晶状体发生变形,使其形状从平面变为凹面,这种技术可以用来制造多个镜片,使其能够单独改变焦距

晶体透镜有其自身的优势,如更强的聚焦能力、更高的分辨率和更好的色彩感知能力。

"沈教授说:"结合了复眼和晶体透镜的光学设备,不仅能模仿自然,还能超越自然。

参考资料

Yi Pan et al, Pixelating Responsive Structural Color via a Bioinspired Morphable Concavity Array (MoCA) Composed of 2D Photonic Crystal Elastomer Actuators, Advanced Science (2023). DOI: 10.1002/advs.202300347

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