中國(guó)科大成功研制一種高光譜仿生變色材料

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述難題，基于仿生思想研制了一種新型高光譜變色材料。詳情如下，一起來(lái)看看吧！

植被是典型的地面背景，針對(duì)植被的高光譜材料一直是工程領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)：一方面，植物葉片具有獨(dú)特的太陽(yáng)光譜反射特征，材料需要在整個(gè)太陽(yáng)光譜內(nèi)與葉片光譜特征一致；另一方面，植物葉片的顏色及光譜特征會(huì)發(fā)生變化，材料需要具備變色能力。

該材料能模仿落葉植被在綠色和黃色之間的變色現(xiàn)象，且在兩種色態(tài)下均能復(fù)現(xiàn)植物葉片的太陽(yáng)光譜反射特征。相關(guān)研究成果以“A Color-Changing Biomimetic Material Closely Resembling the Spectral Characteristics of Vegetation Foliage”為題在線發(fā)表在材料領(lǐng)域知名期刊《Small》。

自然界中植物葉片的顏色變化特征與葉肉細(xì)胞內(nèi)的色素含量變化有關(guān)。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的葉綠素含量較高時(shí)，會(huì)掩蓋其他顏色的色素，使植物葉片呈現(xiàn)綠色。當(dāng)葉綠素因外界環(huán)境改變而分解后，細(xì)胞內(nèi)的胡蘿卜素等其他色素的顏色就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，使植物葉片呈現(xiàn)黃色或紅色。研究團(tuán)隊(duì)從植物葉片的變色機(jī)制中獲得靈感，提出一種將綠色動(dòng)態(tài)顏料與黃色靜態(tài)顏料復(fù)合的顏色變化模型（圖2）。綠色動(dòng)態(tài)顏料具有著色態(tài)和褪色態(tài)兩種色態(tài)，當(dāng)其呈著色態(tài)時(shí)會(huì)掩蓋靜態(tài)顏料的顏色，而當(dāng)其呈褪色態(tài)時(shí)靜態(tài)顏料的顏色就會(huì)顯現(xiàn)?；谠摲律枷?，研究團(tuán)隊(duì)將熱致變色微膠囊顏料與鈦鉻黃顏料復(fù)合，利用溶液鑄膜法制備了以聚乙烯醇為基材的變色仿生材料。該仿生材料的顏色變化通過(guò)施加外部溫度刺激來(lái)切換，并且具有雙穩(wěn)態(tài)特性，兩種色態(tài)均能在常見(jiàn)的戶(hù)外環(huán)境中穩(wěn)定存在。

在實(shí)現(xiàn)變色現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)發(fā)展顆粒系輻射傳輸模型設(shè)計(jì)材料中的顏料顆粒配比使其模仿葉肉細(xì)胞中細(xì)胞堆疊結(jié)構(gòu)對(duì)入射輻射的散射過(guò)程，從而形成與真實(shí)葉片一致的近紅外高反射特征；借助具有親水特性的基材使仿生材料吸收空氣中的水分，從而模擬植物葉片的水吸收谷特征（圖3）。此外，仿生材料還可隨環(huán)境中濕度波動(dòng)進(jìn)行水分吸附和脫附，模仿植物葉片通過(guò)水分輸運(yùn)進(jìn)行溫度調(diào)控，與天然葉片的紅外特征一致（圖4）。該研究實(shí)現(xiàn)了針對(duì)落葉植被的高光譜變色仿生，在工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

該論文第一作者為我校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系博士生黃子真。我校龍林爽特任研究員、葉宏教授和劉明侯教授為共同通訊作者。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院人才項(xiàng)目和中國(guó)科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。