用于光學設備的柔性變色系統(tǒng)研究探討

香港大學的研究人員設計了一種創(chuàng)新的像素化、柔性的變色系統(tǒng)，稱為可變形凹槽陣列(MoCA)。像素化、柔性的變色系統(tǒng)是可延展的結構，可以通過操縱光來改變顏色。它們在廣泛的行業(yè)中都有應用，從如果感染就會改變顏色的醫(yī)療繃帶，到智能手機和平板電腦上的可折疊屏幕，以及將傳感器集成到服裝織物中的可穿戴技術。 這項研究由香港大學機械工程系的Anderson Ho Cheung Shum教授和中國科學院化學研究所的Mingzhu Li教授共同指導，并由香港大學機械工程系的Yi Pan博士領導。 這項研究發(fā)表在《先進科學》雜志上，題為“通過由2D光子晶體彈性體驅動器組成的生物感應可變形凹槽陣列(MoCA)實現(xiàn)像素化響應結構顏色”。由香港大學研究人員制作的MoCA是一種薄的(其厚度相當于約三根人類頭發(fā))橡膠狀結構，由兩層組成——頂層是光子晶體彈性體執(zhí)行器(PC-EA)薄膜，底層是一個孔陣列——一個有規(guī)則間隔的圓孔的晶格。

一個像素化的變色柔性系統(tǒng)，模仿蝴蝶翅膀的變色結構 PC-EA薄膜本身由兩層組成——頂部的彈性體層(GPDMS)和底部的水凝膠層(pNIPAM)。 如果將乙醇添加到pNIPAM層，它會膨脹，產(chǎn)生的張力將彈性體GPDMS層向下拉入陣列中的孔中，產(chǎn)生一個碟狀凹形，稱為可變形凹陷(MoC)，作為像素。在形成凹陷后，紅光被阻擋，像素的可見顏色從紅色變?yōu)樗{色。

MoCA的靈感來自蝴蝶翅膀上的結構，稱為雙色微凹陷，可以產(chǎn)生充滿活力的彩虹色。

雙色微凹陷是微小的凹坑，可以阻擋特定波長的光，根據(jù)光的角度和觀察者的視角產(chǎn)生兩種不同的顏色。在蝴蝶翅膀上，這些凹坑被排列成一種被稱為光子晶體的規(guī)則結構。MoCA復制了蝴蝶翅膀的光子晶體，作為第一個依靠平面和凹結構產(chǎn)生不同顏色的像素變色系統(tǒng)的例子，它是革命性的。 Pan博士說：“MoCA的變色策略是通過改變其局部形態(tài)實現(xiàn)的，特別是通過控制“平面”和“凹”狀態(tài)之間的過渡。這使得MoCA有別于其他像素變色系統(tǒng)”。 另一個突破是像素的顏色變化可以單獨控制，因為在MoCA中，每個像素都連接到一個單獨的“管道系統(tǒng)”，通過該系統(tǒng)輸送乙醇。 Pan博士解釋說：“我們使用多通道微流體引入和去除溶劑來控制MoCA，為傳統(tǒng)的電致變色方法提供了一種補充方法”。

MoCA可以用于偽造——例如隱藏在產(chǎn)品中，如服裝、圖案或QR碼，這些產(chǎn)品只能在特定條件下可見。然而，港大團隊的長期目標是利用MoCA背后的原理——軟物質和微流體，來構建模擬和超越昆蟲復眼能力的光學設備。

復眼包含多個光處理結構，并提供非復眼視覺的幾個優(yōu)勢，如更廣闊的視野和同時聚焦多個物體的能力。 Shum教授解釋說，人眼中晶狀體的變形使我們能夠聚焦不同的距離。MoCA的單個單元可以變形的技術——使形狀從平坦變?yōu)榘枷荨梢岳脕韯?chuàng)建多個透鏡，可以單獨改變聚焦。 晶狀體有自己的優(yōu)勢，如更強的聚焦能力、更高的分辨率和更好的色彩感知能力。 Shum教授說：“結合復眼和晶狀體的光學設備不僅模仿自然，而且還會超越自然?！?/p>

編輯：黃飛