AM：把色彩藏在透明材料里

在自然界中，一些动物在受到刺激后会改变皮肤颜色，以躲避天敌或捕食者，或者吸引配偶。这些颜色变化多由外界刺激下动物皮肤表面微/纳米结构变化而产生，属于结构变色范畴。仿生自然，科学家们也开发出一系列智能材料，能够响应机械力、生物力、温度、化学组分、电、磁等外界刺激而发生表面微纳结构变化，从而调控材料颜色，实现在传感、智能窗户、防伪及信息存储等领域的应用。但是，目前材料颜色调控模式基本相似——受刺激时在不同颜色之间切换，要想实现材料在彩色与透明之间可逆切换，仍是一项挑战性工作。

       近日，韩国蔚山国立科学技术研究所（UNIST）Taesung Kim教授和国立釜山大学Kyungjun Song教授研究团队合作，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）和SiO2纳米颗粒为基本材质，结合表面起皱技术实现了PDMS/SiO2复合材料体系表面结构色显色的可控调控。初始透明状态的PDMS/SiO2复合材料，在机械应力作用下表面可逆形成具有光散射效果的表面皱纹形貌，从而实现体系结构色显色变化，在加密信息存储等方面具有重要的应用。相关论文发表于Advanced Materials。

PDMS/SiO2结构显色体系构筑过程及表面形貌表征。图片来源：Adv. Mater.

由于PDMS与SiO2纳米颗粒具有相似的光学性质，所制备PDMS/SiO2复合体系初始状态是无色透明的。在机械应力作用下，软硬复合体系产生表面失稳生成1D或2D表面皱纹形貌，基于表面皱纹形貌的光散射作用使得器件表面呈现彩虹色。应力消失，复合体系恢复初始透明状态，彩色图案“消失”。

PDMS/SiO2体系结构显色机理。图片来源：Adv. Mater.

进一步研究表明，简单的局部区域图案化策略不能实现存储信息的“显色”，而具有“咖啡环”结构选区图案化策略则较好的实现了不同存储信息的“隐藏”与显示。同时，研究发虽然SiO2纳米颗粒的尺寸（300 nm、500 nm、700 nm）对复合体系的光学性质和显色性能具有一定的影响；但对显色性能的关键影响因素仍为复合体系形成的高级褶皱形貌。

SiO2纳米颗粒尺寸对器件光学性质的影响。图片来源：Adv. Mater.

实际应用测试显示，PDMS/SiO2复合体系在可切换显色设备制备方面具有独特的优势。基于复合器件表面褶皱形貌的各向异性，复合体系呈现信息显示依赖于观察角度；进一步基于复合图案化技术结合各向异性应力刺激，可实现复合体系不同存储信息显色的可逆、快速切换。作为一个应用示例，他们将二维码信息“隐藏”在复合体系中，在应力作用下即可显现并正常扫描识别。

PDMS/SiO2器件应用性能测试。图片来源：Adv. Mater.

总结

表面起皱技术是一种简便、普适性的材料表面图案化技术。该研究成果基于巧妙的软硬复合材料结构设计，简便的实现了复合材料体系在无色透明状态与具有褶皱形貌“彩色”之间可逆切换。该研究成果不仅为结构显色器件的构筑提供了新的策略，也为表面起皱技术在光学等功能器件构筑应用方面提供了借鉴。