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中國科大成功研制一種高光譜仿生變色材料


色差儀批發(fā)網(wǎng) / 2024-01-19

近日,中國科學(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,一起來看看吧!

 

 

 

植被是典型的地面背景,針對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)特的太陽光譜反射特征,材料需要在整個(gè)太陽光譜內(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,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枷耄芯繄F(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施加外部溫度刺激來切換,并且具有雙穩(wěn)態(tài)特性,兩種色態(tài)均能在常見的戶外環(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)對入射輻射的散射過程,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。該研究得到了中國科學(xué)院人才項(xiàng)目和中國科大啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。

 

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