目前存在用于形成機械響應(yīng)軟光子材料的各種實驗室規(guī)模的技術(shù)。已經(jīng)使用多種方法形成了柔軟的乳白色結(jié)構(gòu)的可彈性變形片材和纖維。盡管此類材料已在宏觀尺度上生產(chǎn)，但基礎(chǔ)技術(shù)并未提供對材料光學(xué)特性的空間控制，并且在尺度上存在均勻性問題。依賴于正蛋白石和反蛋白石的形成的相關(guān)方法已經(jīng)產(chǎn)生了一些潛在的可行策略；然而，它們的特性通常不適用于大的機械變形。基于纖維素的光子層壓板可以使用Roll-to-Roll工藝大規(guī)模生產(chǎn)，盡管它們需要水的存在；它們確實對壓縮應(yīng)力表現(xiàn)出令人印象深刻的響應(yīng)，但對于拉伸變形并不理想，它們的響應(yīng)時間受到限制，并且難以實現(xiàn)對反射光譜和散射行為的空間控制。
磁場誘導(dǎo)的磁性納米粒子在聚合物基質(zhì)中的自組裝可以通過多種材料組成來完成，從而產(chǎn)生具有可調(diào)機械性能的結(jié)構(gòu)，盡管存在與制造復(fù)雜性、可實現(xiàn)光子范圍有限等相關(guān)的問題結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的權(quán)衡。嵌段共聚物自組裝是另一種技術(shù)，但它存在材料成本高、可擴展性有限以及材料成分和物理性能受限等問題。
液晶彈性體直到最近才成為一種很有前途的材料平臺，可用于色彩動態(tài)材料和像素化偽裝，盡管它們?nèi)孕枰C明大規(guī)模制造和進一步優(yōu)化光學(xué)性能。還展示了直接組裝方法，例如順序旋涂和多層軋制或使用定制光聚合物的激光干涉光刻。盡管這些方法對光子架構(gòu)提供了不同級別的控制，但它們受到制造復(fù)雜性、可擴展性、色彩動態(tài)或設(shè)備成本方面的限制。本質(zhì)上，所有現(xiàn)有技術(shù)要么非常擅長在微觀尺度上控制結(jié)構(gòu)，但面臨縮放問題，要么是可擴展的，但不能對材料結(jié)構(gòu)提供精確控制。盡管有幾種潛在的高影響應(yīng)用，但同時提供這兩種方法的方法仍然難以捉摸。
成果簡介
鑒于此，麻省理工學(xué)院Mathias Kolle等人展示了一種可擴展的方法，用于使用標(biāo)準(zhǔn)光投射設(shè)備在市售的光響應(yīng)彈性體片中以微尺度橫向分辨率進行光子納米結(jié)構(gòu)的宏觀光學(xué)制造。該方法可以對材料的光學(xué)和機械性能進行精細(xì)的空間控制，并僅基于結(jié)構(gòu)顏色、近紅外圖案生成以及鏡面反射或漫反射之間的選擇來訪問完整的可見光譜。
諾獎技術(shù)
該研究利用諾貝爾獎獲得者 Gabriel Lippmann（因發(fā)明基于干涉現(xiàn)象的彩色照相術(shù)，獲得了1908年度諾貝爾物理學(xué)獎）開創(chuàng)性的彩色攝影技術(shù)，開啟了豐富且易于控制的材料設(shè)計空間，這是以前使用任何競爭技術(shù)都無法實現(xiàn)的。在李普曼攝影中，通過將視覺場景放置在反射面上，將視覺場景刻錄到攝影膠片中，從而產(chǎn)生一種駐留光波圖案，該圖案被記錄為周期性的折射率變化。然后，這些折射率變化充當(dāng)分布式布拉格反射器，將光譜的特定部分反射為結(jié)構(gòu)周期性的函數(shù)，該周期性由視覺場景不同區(qū)域的光波長來確定。
技術(shù)通講
研究人員采用 Lippmann 的技術(shù)，將一塊市售的彈性光敏聚合物放在反射表面上，并將其暴露在使用標(biāo)準(zhǔn)投影儀創(chuàng)建的圖像中。通俗地講，該團隊將彈性、透明的全息薄膜粘附在一個反射的、類似鏡子的表面上（在這種情況下，是一張鋁片）。然后，研究人員在離膠片幾英尺的地方放置了一臺現(xiàn)成的投影儀，并將圖像投影到每個樣品上，包括李普曼式的花束。這些膠片在幾分鐘內(nèi)而不是幾天內(nèi)產(chǎn)生了大而詳細(xì)的圖像，生動地再現(xiàn)了原始圖像中的顏色。
然后，他們將薄膜從鏡子上剝離下來，并將其貼在黑色彈性硅膠背襯上作為支撐。他們拉伸薄膜并觀察顏色變化——這是材料結(jié)構(gòu)顏色的結(jié)果：當(dāng)材料拉伸并變薄時，其納米級結(jié)構(gòu)會重新配置以反射略微不同的波長，例如從紅色變?yōu)樗{(lán)色。這薄膜的顏色對應(yīng)變高度敏感。在制作出完全紅色的薄膜后，研究人員將其粘附在不同厚度的硅膠背襯上。在背襯最薄的地方，薄膜仍然是紅色的，而較厚的部分會使薄膜拉緊，使其變成藍(lán)色。同樣，他們發(fā)現(xiàn)將各種物體壓入紅色薄膜樣品中會留下詳細(xì)的綠色印記，如草莓的種子和指紋。
圖|宏觀尺度上可拉伸變色材料的光學(xué)制造
隱藏圖像！
有趣的是，他們還可以投影隱藏的圖像，方法是在創(chuàng)建彩色鏡子時將膠片相對于入射光傾斜一個角度。這種傾斜基本上導(dǎo)致材料的納米結(jié)構(gòu)反射紅移光譜。例如，在材料曝光和開發(fā)過程中使用的綠光會導(dǎo)致紅光被反射，而紅光曝光會產(chǎn)生反射紅外線的結(jié)構(gòu)（一種人類不可見的波長）。當(dāng)材料被拉伸時，這個原本不可見的圖像會改變顏色以顯示為紅色。
圖|近紅外結(jié)構(gòu)顏色和定制的散射特性
該技術(shù)支持的設(shè)計空間具有多個易于控制的參數(shù)，這些參數(shù)決定了最終顏色動態(tài)可拉伸材料的光學(xué)和機械性能。
1）首先，投影圖像的空間顏色分布局部地定義了彈性光聚合物中產(chǎn)生的折射率變化的周期，進而確定了片材上每個點的反射結(jié)構(gòu)顏色。至關(guān)重要的是，彈性光聚合物的可變形性能夠響應(yīng)機械刺激，由應(yīng)變引起的光子結(jié)構(gòu)周期性變化引起的可預(yù)測、可重復(fù)和可逆的顏色變化。
2）該技術(shù)的第二個關(guān)鍵參數(shù)是硅膠背襯層的形貌，它決定了由外部施加的張力引起的局部應(yīng)變。較薄的區(qū)域經(jīng)歷更大的應(yīng)變，因此顏色變化更明顯。
3）第三，通過改變來自投影儀的光的入射角，可以調(diào)整折射率變化的周期。
4）最后，反射面的紋理是另一個設(shè)計參數(shù)。光滑的鏡子產(chǎn)生布拉格結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出鏡面結(jié)構(gòu)顏色。為了生成具有漫反射結(jié)構(gòu)顏色的材料，這種材料可以在更廣泛的視角范圍內(nèi)觀察到，同時減少對照明條件的依賴，研究人員使用紋理反射器。使用拉絲鋁板或不銹鋼板，我們將反射器的角散射特性轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)有色材料上。對于動態(tài)光子材料，這種對散射特性的控制水平是該方法所獨有的。
小結(jié)與應(yīng)用展望
綜上所述，通過采用李普曼攝影并將其與市售彈性光聚合物的最新進展相結(jié)合，研究人員開發(fā)了一種制造可擴展、靈活且易于使用的變色軟光子材料的方法。所得材料堅固、反應(yīng)靈敏且價格合理，并且可以設(shè)計成具有廣泛的光學(xué)和機械性能，在施加的應(yīng)變和應(yīng)力與顏色變化之間表現(xiàn)出可預(yù)測和直接的關(guān)系。
在應(yīng)用方面，通過顏色變化提供有關(guān)機械力的信息，無需復(fù)雜的電子或機械傳感器，可以通過肉眼觀察。彈性繃帶中的比色指標(biāo)可以量化施加在患者身上的壓力或壓力梯度，這是確定許多醫(yī)療狀況（包括靜脈潰瘍、壓力性潰瘍、淋巴水腫和疤痕）最佳治療的關(guān)鍵因素。具有可變顏色圖像的膏藥（粘性繃帶）有助于提高兒科患者的依從性和滿意度。服裝和運動裝將為富有彈性的色彩提供豐富的畫布。
圖|比色機械傳感
參考文獻：
Miller, B.H., Liu, H. & Kolle, M. Scalable optical manufacture of dynamic structural colour in stretchable materials. Nat. Mater. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01318-x
