麻省理工学院Nat. Mater.: 可拉伸材料中动态结构颜色的可扩展光学制造

一、【导读】

结构彩色材料可根据机械刺激改变颜色，在光学传感和视觉通信领域具有良好的应用前景。目前已经有多种实验室规模的技术可以得到可弹性变形的软蛋白石结构片材和纤维，尽管可以实现在宏观尺度上生产机械响应软光子材料，但仍旧无法实现对材料光学特性的空间控制，并且尺度均匀性、制造复杂性、可扩展性、色彩动力学或设备成本方面受到限制。简言之，缺乏可以在宏观区域内对材料的纳米级结构进行空间控制的制造技术限制了结构色材料的广泛使用。所以，如何做到既可以精确控制微观结构，又可以大规模生产的机械响应软光子材料意义重大。

二、【成果掠影】

近日，麻省理工学院Mathias Kolle团队受启发于诺贝尔物理学奖获得者Gabriel Lippmann 开创性的彩色照相技术，通过将视觉场景放置在反射表面上来将其刻入摄影胶片中，从而创建周期性折射率变化的驻波图案。然后，这些折射率变化充当分布式布拉格反射器，将光谱的特定部分反射为结构周期性的函数，该周期性由视觉场景不同区域的光波长来确定。在此基础上生产出既可以精确控制微观结构，又可以大规模生产的结构色片材（可变色光子晶体材料）。该片材具有丰富且易于控制的颜色图案、光谱特性、角散射特性和对机械刺激的响应。 仅仅依靠数字投影仪和市售的光敏弹性体，该方法快速、可扩展、经济实惠且适用于广泛的制造环境。此外该工作还展示了机械敏感医疗保健材料和用于人机交互和机器人技术的比色应变和应力传感的原型。相关成果以“Scalable optical manufacture of dynamic structural colour in stretchable materials”为题发表在Nature Materials上。

三、【核心创新点】

1、通过将Lippmann摄影技术与市售弹性光聚合物相结合得到了既可以精确控制微观结构，又可以大规模生产的结构色片材。

2、基于该结构色材料设计的应用通过肉眼观察颜色变化即可得到有关机械力的信息，无需复杂的电子或机械传感器，在人机交互的输入设备、医疗保健、动作捕捉、机器人运动和操纵等一系列领域具有较大的应用价值。

四、【数据概览】

图1宏观尺度下可拉伸变色材料的光学制造

a，结构颜色图案通过驻波记录为光弹性体中的周期性折射率变化，驻波是由于暴露于反射镜背衬的投影光图案而产生的。 b，得到的结构颜色与曝光图案的光谱分布相匹配； 当材料被拉伸或压缩时，记录的光子结构的周期性会发生变化，从而导致可预测且可逆的颜色变化。

图2空间颜色分布和动态控制

a，结构颜色测试样品，显示原色（顶行）、二次色（中间行）和灰色阴影（底行）。插图：用于形成这种颜色图案的投影数字图像。 b，对应于a中所示颜色的光谱。 c，一个6 × 8 英寸的数字花束结构颜色模拟物。 d，使用与c中相同的图像制造的三倍小样本。 e，10 μm尺寸的单个结构彩色像素的光学显微照片。 f，拉伸结构颜色图案。 g，结构着色表面的反射率值高于90%。随着施加的应变 ε 增加，具有红色结构颜色的区域的反射光谱向较低波长λ移动。 h，在 CIE 1931 色度图中显示的 f 中标记的区域的颜色轨迹。 i，在f中标记的三个区域的峰值反射波长λ_peak作为应变函数的变化。①和②标记原色，而③标记具有一致移动的两个反射峰的二次色。 j，通过背衬层厚度的变化控制给定全局应力的应变分布。背衬层厚度：④0.72 mm； ⑤2.40 mm； ⑥1.20 mm。 k，峰值反射波长的变化作为j中标记区域的全局应变的函数。

图3近红外结构颜色和定制的散射特性

a，对于633 nm的照明波长，峰值反射波长λ_peak与曝光角θ的关系。以增加的照明角度曝光将结构颜色转移到近红外区域。 b，样品以50°角暴露在红光下的反射光谱（a中标记的点）及其随应变的变化。c，样品以50°的照射角曝光，在中心正方形使用蓝光（450 nm）产生绿色结构色，在中间区域（标记为①）使用红光（633 nm）导致红外反射峰，以及外边缘使用绿光（532 nm）产生红色结构色。拉伸时，在红外区域具有反射光谱的暗区 (①) 变为红色。 d，a-c中标记为①的样本区域从近红外到绿色的颜色轨迹。 e，在曝光期间使用的反射器的光散射特性被转移到所得结构色材料的光散射行为上。镜子背衬导致材料具有彩色镜面反射（e中的顶行），只有当照明和观察角度匹配时，才能看到明亮的材料。拉丝反射器用于生成具有更漫射、更少角度依赖性的结构颜色的材料（e中的底行）。 f，图像描绘了在松弛（顶部）和应变（底部）条件下，使用拉丝铝作为反射器形成的结构彩色材料的光散射。 g，极坐标图显示沿f中标记的白色虚线提取的松弛（红色）和应变（蓝色）材料的角发射。灰色阴影区域对应于f中的黑色区域，该区域标记了屏幕具有小孔可以使样品能够正常曝光的小角度区域。

图4比色机械传感

a，配备比色压力指示的绷带提供有关压力和压力梯度的信息。 b，变色膏药，为儿科患者提供额外的乐趣（左）。涂抹后，石膏会反映人体皮肤的拉伸并改变颜色（右图）。 c，色相与应变，为定量比色应变校准和映射提供基础。 d，当将草莓推入最初均匀的红色薄片时，观察到变形引起的颜色变化。 e，从颜色变化中提取的草莓种子形貌。 f，成像的草莓种子轮廓与从观察到的颜色变化推断的轮廓之间的比较（从图d，e 中的白色虚线采样）。 y轴是检测到的表面的高度（以µm为单位），x 轴是沿表面横截面的距离。 g，色调与施加到均匀红色片材上的压力的关系。 h，一枚一美分硬币（左）和一个指尖（右）压入红纸中，对应的基于压力和色调之间定量关系的压力分布（底部），其中指尖的压力分布为虚线正方形标记的工作区域。

五、【成果启示】

综上所述，通过结合Lippmann摄影技术与市售弹性光聚合物，开发了一种既可以精确控制微观结构，又可以大规模生产的可扩展、灵活且易于使用的机械响应软光子材料的方法。所得材料坚固、反应灵敏且价格合理，在施加的应变和应力与颜色变化之间表现出可预测的关系，在人机交互的输入设备、医疗保健、动作捕捉、机器人运动和操纵等一系列领域具有较大的应用价值。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01318-x