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“變色龍”般的新型材料，開辟智能材料新方向

文章來源：賢集網更新時間：2023-05-19 14:11:07

近年來，非平衡態物質的研究已經逐漸從傳統的生物體系拓展到以人工合成材料為基礎的活性物質。其中，最典型的研究是以微納米馬達和納米機器人為目標的軟物質物理研究。研究者通過在微納米粒子的表面構建非對稱化學反應位點的方法，可以方便地使膠體粒子實現在溶液環境中的自推進運動，并且實現了遠程多自由度的操縱，為下一步的材料學、醫學、光學的應用打下了基礎。

另一方面，非平衡態物質也表現出一系列與平衡態物質迥異的性質。可以預見，將這些新奇的性質應用在新材料研究中，可望發展出一個全新的活性功能材料體系。香港大學化學系的唐晉堯團隊基于團隊在光控微納米機器人成果與香港科技大學、廈門大學合作，展示了一種自適應的變色活性功能材料。

5月17日,廈門大學化學化工學院,侯旭團隊副教授鄭靖與合作者的科研成果在國際頂級學術期刊Nature上發表.成果顯示，研究團隊開發了一種像“變色龍”般的新型活性膠體材料，通過控制光可以使它呈現變化多端的圖案與色彩，這項新技術比傳統的變色材料更加可靠和便利，為活性智能材料的設計開辟了新的方向！

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行重新排布，從而根據周圍環境的變化快速調節膚色，達到偽裝掩飾的目的。

受到這種自然現象的啟發，廈門大學化學化工學院侯旭團隊鄭靖副教授和香港大學唐晉堯教授合作開發了一種新型的光致變色活性膠體材料，實現了對多組分非平衡態體系的多自由度控制和可編程的光響應相分離，為彩色電子紙和自供電光學偽裝提供了一種簡便的方法。

5月17日，這項研究成果以“Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation”為題在線發表于Nature。廈門大學化學化工學院鄭靖副教授為論文第一作者，香港大學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，香港科技大學李志剛教授、童彭爾教授和香港大學王宇鋒教授參與文章討論，陳靖遠博士、靳亞康博士、溫言博士、牧一江博士、吳昌進博士參與了該論文的部分工作。

如變色龍般的智能膠體

在彩色電子紙的應用中，帶電顏色粒子可以根據施加電壓的情況實現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?；诖?，研究團隊開發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，形成多種不同的“相”，并達致宏觀變色的效果。“相”是物質在不同狀態、不同結構下的不同形態或表現形式。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，制造出更復雜的微米級結構。

簡而言之，就是可以運用光學活性材料呈現出變化多端的圖案與色彩。

活性智能材料的新突破

近年來，光驅微納米機器人技術的快速發展為研發活性材料提供了良好的環境。人們可以通過改變入射光的光強、波長、偏振等因素而精準調節粒子的速度與運動方向，并透過改變局域化學梯度場改變粒子間的有效相互作用。這為實現活性粒子的智能化，進而實現群體智能提供了重要的契機。

基于此，研究團隊設計了一種波長選擇性TiO2活性膠體系統，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合不同波長和強度的入射光來靈活調節，從而實現可控的膠體聚集和分離，為研究微納粒子的相行為和結構演化動力學提供了理想的模型。

受自然界中光致變色現象啟發，研究團隊進一步通過混合青色、品紅和黃色膠體形成動態光致變色墨水，并在宏觀上實現了光致變色。

這項新技術比傳統的變色材料更加可靠和便利，為彩色電子紙和自供電光學偽裝等應用提供了一種更加簡便的方法，有助于促進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計開辟新方向。

只有積小步才能成大步

和大多數重大創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年還在香港大學從事博士后研究之時，就在導師唐晉堯教授的指導和支持下開展相關的研究工作，直至2022年2月正式加盟廈大化院侯旭團隊，依然在進行補充實驗以及論文修改。

從想法的提出到論文的刊發，五年的時間里，研究團隊投入了大量的時間和精力在“觀察”和“試錯”上。

粒子運動觀測和圖像拍攝需要借助顯微鏡完成，團隊必須高度專注地觀察不同的實驗條件下圖像細微的變化。“最難的是發現現象，發現微小現象后，要及時確認實驗結果和優化。錯過任何一個細節，結果都可能謬之千里。”鄭靖說。

從各色的染料到各類的光譜，光強多少？波長多少？光路如何設計搭建……團隊需要在一次次的定量微量調節中，認真觀測哪種組合有效果，并進行仔細篩分，之后通過表界面改性，調整粒子的光譜吸收，調整粒子對不同的光的響應。為了得到理想的實驗參數和結果，團隊日以繼夜奮戰在實驗室，甚至2022年大年初一的時候，團隊還在討論和修改論文。守得云開見月明，在反復的觀測和試驗中，顯微鏡下的圖像變得越來越清晰。

“對每個科研人來說，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。”鄭靖說。

受變色龍啟發創造出的其他新材料

人類是最善于學習和創造的高級動物。變色龍的本事使不少軍事家和材料科學家羨慕不已，都想學學變色龍的本領,看看它是怎樣練就這身變色功夫的。后來發現它的真皮內有多種色素細胞,通過伸縮身體而使表皮色素細胞發生變化,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,在室內穿時是一種顏色,但到室外在陽光下一曬,它就變成藍色或紫色。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纖維制成的,只要太陽中的紫外線照到衣服上,顏色就發生變化。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,只要一跳進游泳池，它就會變出紅藍綠等鮮艷色彩。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裝表演，女模特身著款式新穎的時裝行走時,服裝不斷改變顏色。原來這是英國的材料科學家研制的一種液晶服裝面料，這種面料在28-33C的范圍內具有變幻莫測的色彩。如在28C時衣服呈紅色,在33C時又呈黃色。模特在行走時使衣服以不同速度和方向擺動,身體各部位的體溫就發生變化,這樣時裝就會變幻出彩虹般的迷人色彩。

2023年2月，天津大學封偉教授團隊成功研發新型智能材料。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《德國應用化學》封面文章。

研究人員受自然界變色龍智能變色機制啟發，將動態共價硼酸酯鍵引入主鏈型膽甾相液晶彈性體中，同時利用熱激發動態B-O鍵交換特性，實現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現可逆調控，成功研發新型智能材料——“智能變色液晶高分子薄膜”。

據介紹，這種新材料厚度只有200微米，兼具力致變色、形狀可編程和優異的室溫自修復能力：在被拉伸時可以發生顏色變化；被切斷后在斷口處加幾滴水，一段時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，當材料加熱到相變溫度以上后，又能恢復到最初的形狀。

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