麻省理工學院Nat. Mater.: 可拉伸材料中動態結構顏色的可擴展光學制造

一、【導讀】

結構彩色材料可根據機械刺激改變顏色，在光學傳感和視覺通信領域具有良好的應用前景。目前已經有多種實驗室規模的技術可以得到可彈性變形的軟蛋白石結構片材和纖維，盡管可以實現在宏觀尺度上生產機械響應軟光子材料，但仍舊無法實現對材料光學特性的空間控制，并且尺度均勻性、制造復雜性、可擴展性、色彩動力學或設備成本方面受到限制。簡言之，缺乏可以在宏觀區域內對材料的納米級結構進行空間控制的制造技術限制了結構色材料的廣泛使用。所以，如何做到既可以精確控制微觀結構，又可以大規模生產的機械響應軟光子材料意義重大。

二、【成果掠影】

近日，麻省理工學院Mathias Kolle團隊受啟發于諾貝爾物理學獎獲得者Gabriel Lippmann?開創性的彩色照相技術，通過將視覺場景放置在反射表面上來將其刻入攝影膠片中，從而創建周期性折射率變化的駐波圖案。然后，這些折射率變化充當分布式布拉格反射器，將光譜的特定部分反射為結構周期性的函數，該周期性由視覺場景不同區域的光波長來確定。在此基礎上生產出既可以精確控制微觀結構，又可以大規模生產的結構色片材（可變色光子晶體材料）。該片材具有豐富且易于控制的顏色圖案、光譜特性、角散射特性和對機械刺激的響應。 僅僅依靠數字投影儀和市售的光敏彈性體，該方法快速、可擴展、經濟實惠且適用于廣泛的制造環境。此外該工作還展示了機械敏感醫療保健材料和用于人機交互和機器人技術的比色應變和應力傳感的原型。相關成果以“Scalable optical manufacture of dynamic structural colour in stretchable materials”為題發表在Nature Materials上。

三、【核心創新點】

1、通過將Lippmann攝影技術與市售彈性光聚合物相結合得到了既可以精確控制微觀結構，又可以大規模生產的結構色片材。

2、基于該結構色材料設計的應用通過肉眼觀察顏色變化即可得到有關機械力的信息，無需復雜的電子或機械傳感器，在人機交互的輸入設備、醫療保健、動作捕捉、機器人運動和操縱等一系列領域具有較大的應用價值。

四、【數據概覽】

圖1宏觀尺度下可拉伸變色材料的光學制造

a，結構顏色圖案通過駐波記錄為光彈性體中的周期性折射率變化，駐波是由于暴露于反射鏡背襯的投影光圖案而產生的。 b，得到的結構顏色與曝光圖案的光譜分布相匹配； 當材料被拉伸或壓縮時，記錄的光子結構的周期性會發生變化，從而導致可預測且可逆的顏色變化。

圖2空間顏色分布和動態控制

a，結構顏色測試樣品，顯示原色（頂行）、二次色（中間行）和灰色陰影（底行）。插圖：用于形成這種顏色圖案的投影數字圖像。 b，對應于a中所示顏色的光譜。 c，一個6?×?8?英寸的數字花束結構顏色模擬物。 d，使用與c中相同的圖像制造的三倍小樣本。 e，10?μm尺寸的單個結構彩色像素的光學顯微照片。 f，拉伸結構顏色圖案。 g，結構著色表面的反射率值高于90%。隨著施加的應變 ε 增加，具有紅色結構顏色的區域的反射光譜向較低波長λ移動。 h，在 CIE 1931 色度圖中顯示的 f 中標記的區域的顏色軌跡。 i，在f中標記的三個區域的峰值反射波長λ_peak作為應變函數的變化。①和②標記原色，而③標記具有一致移動的兩個反射峰的二次色。 j，通過背襯層厚度的變化控制給定全局應力的應變分布。背襯層厚度：④0.72?mm； ⑤2.40?mm； ⑥1.20?mm。 k，峰值反射波長的變化作為j中標記區域的全局應變的函數。

圖3近紅外結構顏色和定制的散射特性

a，對于633?nm的照明波長，峰值反射波長λ_peak與曝光角θ的關系。以增加的照明角度曝光將結構顏色轉移到近紅外區域。 b，樣品以50°角暴露在紅光下的反射光譜（a中標記的點）及其隨應變的變化。c，樣品以50°的照射角曝光，在中心正方形使用藍光（450?nm）產生綠色結構色，在中間區域（標記為①）使用紅光（633?nm）導致紅外反射峰，以及外邊緣使用綠光（532?nm）產生紅色結構色。拉伸時，在紅外區域具有反射光譜的暗區 (①) 變為紅色。 d，a-c中標記為①的樣本區域從近紅外到綠色的顏色軌跡。 e，在曝光期間使用的反射器的光散射特性被轉移到所得結構色材料的光散射行為上。鏡子背襯導致材料具有彩色鏡面反射（e中的頂行），只有當照明和觀察角度匹配時，才能看到明亮的材料。拉絲反射器用于生成具有更漫射、更少角度依賴性的結構顏色的材料（e中的底行）。 f，圖像描繪了在松弛（頂部）和應變（底部）條件下，使用拉絲鋁作為反射器形成的結構彩色材料的光散射。 g，極坐標圖顯示沿f中標記的白色虛線提取的松弛（紅色）和應變（藍色）材料的角發射。灰色陰影區域對應于f中的黑色區域，該區域標記了屏幕具有小孔可以使樣品能夠正常曝光的小角度區域。

圖4比色機械傳感

a，配備比色壓力指示的繃帶提供有關壓力和壓力梯度的信息。 b，變色膏藥，為兒科患者提供額外的樂趣（左）。涂抹后，石膏會反映人體皮膚的拉伸并改變顏色（右圖）。 c，色相與應變，為定量比色應變校準和映射提供基礎。 d，當將草莓推入最初均勻的紅色薄片時，觀察到變形引起的顏色變化。 e，從顏色變化中提取的草莓種子形貌。 f，成像的草莓種子輪廓與從觀察到的顏色變化推斷的輪廓之間的比較（從圖d，e 中的白色虛線采樣）。 y軸是檢測到的表面的高度（以μm為單位），x 軸是沿表面橫截面的距離。 g，色調與施加到均勻紅色片材上的壓力的關系。 h，一枚一美分硬幣（左）和一個指尖（右）壓入紅紙中，對應的基于壓力和色調之間定量關系的壓力分布（底部），其中指尖的壓力分布為虛線正方形標記的工作區域。

五、【成果啟示】

綜上所述，通過結合Lippmann攝影技術與市售彈性光聚合物，開發了一種既可以精確控制微觀結構，又可以大規模生產的可擴展、靈活且易于使用的機械響應軟光子材料的方法。所得材料堅固、反應靈敏且價格合理，在施加的應變和應力與顏色變化之間表現出可預測的關系，在人機交互的輸入設備、醫療保健、動作捕捉、機器人運動和操縱等一系列領域具有較大的應用價值。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01318-x