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中国科学报:从业余爱好中获得灵感,高校副教授发明隐形材料
文:记者 杨晨 通讯员 罗莎 图:罗莎 受访者提供 来源:新闻中心 时间:2024-11-29 90

  王东升曾在网上碰到过一个问题:如果有机会获得一项超能力,你想要哪一种?他的选择是“隐形”。

  没想到多年后,这个不切实际的“幻想”,竟在他自己手中成真了。

  最近,电子科技大学光电科学与工程学院副教授王东升和教授韦晨、郑永豪造出了一种会随着环境变化而相应变色的材料,相关论文发表于《科学进展》。这种材料能在环境光线的作用下自动变换为相应的颜色,从而实现“隐形”。

  这个发现背后的解题思路,是王东升从自己最爱的摄影中获得的。

  在充满色彩和光影的材料学领域里解题,王东升乐在其中,因为这和自己追求的“美”一致。

  爱好和专业相辅相成,他的学术世界,流光溢彩。

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王东升。罗莎/摄

“变色龙”


  这是一项“外行人能看到热闹,内行人又能看出门道”的科学研究。

  外行人会惊讶:材料没有大脑和神经,怎么可能自己变色?

  内行人会好奇:现在的变色材料都得在外力加持下发生变化,是怎么做到“自适应”的?

  在自然界,变色龙会根据心情、环境和温度的变化来改变自己的皮肤颜色。材料领域也有自己的“变色龙”:一种名为“光致变色”的材料,受到光源激发后会产生颜色的变化。

  而王东升和团队新提出的“Self-adaptive photochromism(SAP)”,即“自适应光致变色”功能,指的是完全靠材料本身的性质识别环境颜色并始终与其保持一致。

  演示视频里,装有SAP材料的方管被笼罩上绿色亚克力盒后,内部逐渐腾起绿色的“烟雾”。十秒左右,原本在白光光照下呈黑色的材料,就已完全与绿色亚克力盒“相融”。如换成橙色或红色的亚克力盒,材料也会随之“变装”。

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装有SAP材料的方管被罩上不同颜色的亚克力盒后,实现不同的“变装”。受访者供图

  在国外,有研究人员研制过类似的“变色”系统。主要利用摄像头捕捉环境颜色,通过运算后,向变色材料发出刺激信号,基于温度或拉伸的条件来实现颜色的变化。但这样的体系高度依赖电子设备,且设计复杂造价高,如受外部影响就会“罢工”。

  此类“自适应光致变色”材料,完全依靠自身材料的“反应”实现变色,从以前的“有源式”伪装进化到了“无源式”伪装。

  变色龙之所以能够变换体色,是因为其身体内部的神经学调控机制,能够“指挥”皮肤表层内的色素细胞。但材料没有“神经系统”,如何实现自我调控?一种名为给体-受体斯坦豪斯加合物(donor-acceptor Stenhouse adducts;DASAs)的光致变色分子发挥了作用。

  DASAs本身就是一种光致变色分子,在可见光的作用下会从有色转变为无色。王东升和团队通过特殊的匹配原理,将不同种类的DASAs分子“融合”为一种新材料。

  每一类DASAs分子,就像一个调色“开关”,受到特定光线照射后,对该光线的吸收能力就会下降,并反射出来使材料变色。

  整个运行机制如一个控制电路。在某种光线照射下,只会触发相应的分子“开关”,但不引起其他变动,从而“亮起”与光线一致的颜色。

  在此之前,大多数光敏材料与器件的整体控制逻辑都很简单,呈现“0”和“1”的对立切换关系。例如,光控药物释放系统的“打开”和“关闭”、加密与防伪领域中信息的“显影”与“隐藏”、有机光电二极管中的“导通”与“断开”……

  “我们希望,这样单一的开关式控制逻辑,能够向多状态、多模式、多阶段发展。”王东升说,就像是自己手中相机上的模式转盘,可以随时精准切换不同的拍摄模式。

  “人类都能感受到环境的复杂并作出不同反应,材料也可以。我们顺应材料本身性质去设计,也许就能更好开发它的敏锐性。”他相信,材料比人们想象的更聪明。

互补色


  怀揣这一想法,三年前王东升开始着手自适应光致变色材料的研究。在摄影中养成的对色彩应用的感悟力,激发了他不少灵感。

  每次快门按下前,王东升对相邻色、互补色、分裂互补色等的颜色关系的使用熟稔于心,十分注重照片里不同色彩的配合。

  想要照片更有张力,视觉更具冲击力,互补色的应用很关键。明亮橙色的花朵,和青色天空,就是一组不错的搭配。

  研发期间,有一次王东升偶然打开了一张色环图。看着每组呈对角线分布的互补色时,他陷入沉思,细究起一直被自己忽略的深层逻辑:“互补的两个颜色,在光谱上呈现的‘吸收’和‘反射’也是相对的。”

  可见光光谱内,主要分为赤橙黄绿青蓝紫七种原色光,每种颜色的可见光对应不同的波长范围。我们周围物体之所以会呈现特定的颜色,是因为能反射这种颜色相应波长的可见光。

  同时,物体还会吸收其他不同波长范围的可见光,而对自身颜色互补色光线的吸收,是最强烈的。“如果我们想让物体变色,能否从其互补色入手?”王东升不禁产生好奇。

  他想到了一类名为DASAs的可变色分子。其特性就在于,如果受到与自身颜色互补色光线的照射,就会变无色。

  而且它不“拖泥带水”,反射某种可见光的同时,只吸收与其颜色互补的可见光。

  “不像大多数物质,还会吸收其余的大部分光线,只是强弱有别。”王东升举例,最典型的一种DASAs,颜色为紫,即反射紫光。紫与绿为互补色,它的光谱上,只在绿光对应的波长范围内,有一个尖锐的吸收峰。

  当它被绿光照射时,吸收峰就会消失,且其他波长范围内,也不会有任何吸收或反射的状态,所以分子由紫色变为无色。如此看来,DASAs分子是一种准确操控颜色变换的理想部件,利用互补色实现了颜色调控。

  他琢磨,在其他分子配合下,将典型的DASAs分子设计进一种材料。通常状态下,材料能均匀吸收各种可见光。当被绿光照射时,它便开启功能,使材料不再吸收绿光,但还能稳定吸收其他光线。“材料会不会就反射出绿光,跟着变色了?”

  有了这个想法后,王东升做了初步的探索,花一个多月做出了一个薄膜材料。虽然成品较粗糙,但看到绿光照射下,材料缓缓显出淡淡的绿色时,他信心倍增:“这个事应该成了。”

  接下来的三年里,王东升经历了提出理论、设计材料、实测结果、验证理论等过程。其中,他花了一年多的时间,把分别吸收不同颜色的多种DASAs分子进行组合配比,完成稳定且可复制的制备方式,使最终合成的SAP材料能够在绿色、黄色和红色的光线照射下,变化出相应的颜色。

  同时,材料还能在红色仙客来、黄色银杏和绿色黄金葛三种不同的植物丛中,识别出环境颜色并“隐匿”其中,提高了材料的应用性。

图片

SAP材料逐渐隐匿于红色仙客来、黄色银杏和绿色黄金葛三种不同的植物丛中

  更有意思的是,材料可作为自适应伪装涂装材料,以涂料的形式进行应用。换句话说,如果涂在衣服上,就能实现“隐身”。

将爱好融入专业


  对自适应光致变色材料的研究,还在继续。

  “目前来说,我们还没有完全实现对可见光光谱内所有颜色的调控,这是以后努力的方向。”王东升的“眼界”不局限于可见光区,他希望升级版的材料还能在紫外光区、红外光区等实现自适应变色。

  世界上很多颜色都不是标准七彩原色。比如,同一种颜色,有的鲜亮,而有的暗淡,这些是由光照值,即光的强度或亮度决定的。

  “虽然环境颜色的深浅并不影响材料识别是‘哪种色’,但研究也考虑了材料对于光照值的识别能力,让显现出的颜色更为接近。”王东升说,目前研究急需完善的内容,是实现对不同混合色光谱级别的识别与模拟。

  说到这,王东升突然饶有兴致地提到了自己最喜欢的动物——皮皮虾的“亲弟兄”,雀尾螳螂虾。

  人的眼睛中有感受红、绿、蓝三种颜色的视锥细胞,这三种颜色恰好是自然界的三原色。所以,在人类自身发达的视觉和大脑处理系统支撑下,我们可以感受五彩的世界。

  “但雀尾螳螂虾的眼睛,拥有16种视锥细胞。它不仅比人类看到更多彩的世界,还能看到紫外线、红外线,甚至是弧形偏振光。”王东升讲到,拥有如此好“视力”的雀尾螳螂虾,就算在瑰丽绚烂的珊瑚礁里穿行,也不会“乱花渐欲迷虾眼”。

  雀尾螳螂虾的特殊能力激发了王东升新的研发思路。“或许未来我们会在材料中加入更多的光致变色分子,又或者去缩短分子间在光谱上的距离。总之找到更多路径,让材料更加敏锐。”

  让王东升欣慰的是,目前来看,在-20℃到70℃的温度范围内,材料的变色功能都可以正常发挥,满足了大多应用场景的需求。“只是变色的速度从10秒到20秒不等,暂不可控。”

  尽管还有很多难题需要攻克,但王东升并不焦虑,更多的是乐观和从容。因为这项研究在他眼里,是充满“美”的,而他也愿意给这份工作增添更多乐趣。

  平日里,王东升在汇报PPT文字、论文插图的颜色选取上,都会参照经典的配色方案,让复杂的数据和专业的文字,凸显出艺术美感。“我希望看到它的人,都觉得是生动且有用的。不仅让外行人看到热闹,也让内行人看到门道。”

  实验过程中,如果一时半会儿想不出解决方案了,他就会带上自己的相机,走出实验室。“有时候就是要跳出固有的环境或者思维,多看看其他的。走走停停中,说不定就能找到那把钥匙。”

  摄影,是他十多年光敏分子与材料研究生涯中特殊的陪伴。

  在王东升电脑收藏夹里,有一张是他爬到巴黎一栋房屋楼顶拍摄的城市“蓝调时刻”。

  通常在日出或日落前的半小时内,当太阳位于地平线下4度到6度之间时,阳光透过大气层的散射便会将天空和城市渲染成静谧的蓝色。

  照片中,正值华灯初上。车水马龙的“金色”街道,尽显律动感和热烈。整座城市,浓淡相宜。

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巴黎的“蓝调时刻”。王东升/摄


  报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/LniG_eKH-kfksmR9Ub166A


编辑:罗莎  / 审核:王晓刚  / 发布:陈伟

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