“变色龙”般的新型材料，开辟智能材料新方向 -山东化工网

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“变色龙”般的新型材料，开辟智能材料新方向

文章来源：贤集网更新时间：2023-05-19 14:11:07

近年来，非平衡态物质的研究已经逐渐从传统的生物体系拓展到以人工合成材料为基础的活性物质。其中，最典型的研究是以微纳米马达和纳米机器人为目标的软物质物理研究。研究者通过在微纳米粒子的表面构建非对称化学反应位点的方法，可以方便地使胶体粒子实现在溶液环境中的自推进运动，并且实现了远程多自由度的操纵，为下一步的材料学、医学、光学的应用打下了基础。

另一方面，非平衡态物质也表现出一系列与平衡态物质迥异的性质。可以预见，将这些新奇的性质应用在新材料研究中，可望发展出一个全新的活性功能材料体系。香港大学化学系的唐晋尧团队基于团队在光控微纳米机器人成果与香港科技大学、厦门大学合作，展示了一种自适应的变色活性功能材料。

5月17日,厦门大学化学化工学院,侯旭团队副教授郑靖与合作者的科研成果在国际顶级学术期刊Nature上发表.成果显示，研究团队开发了一种像“变色龙”般的新型活性胶体材料，通过控制光可以使它呈现变化多端的图案与色彩，这项新技术比传统的变色材料更加可靠和便利，为活性智能材料的设计开辟了新的方向！

研究灵感

在自然界中，章鱼、墨鱼、鱿鱼等头足类动物具有强大的变色伪装能力——它们可以通过控制肌肉，将皮肤表面下成千上万的色素颗粒进行重新排布，从而根据周围环境的变化快速调节肤色，达到伪装掩饰的目的。

受到这种自然现象的启发，厦门大学化学化工学院侯旭团队郑靖副教授和香港大学唐晋尧教授合作开发了一种新型的光致变色活性胶体材料，实现了对多组分非平衡态体系的多自由度控制和可编程的光响应相分离，为彩色电子纸和自供电光学伪装提供了一种简便的方法。

5月17日，这项研究成果以“Photochromism from wavelength-selective colloidal phase segregation”为题在线发表于Nature。厦门大学化学化工学院郑靖副教授为论文第一作者，香港大学唐晋尧教授为论文通讯作者。侯旭教授对本研究给予大力支持并参与论文讨论修改，香港科技大学李志刚教授、童彭尔教授和香港大学王宇锋教授参与文章讨论，陈靖远博士、靳亚康博士、温言博士、牧一江博士、吴昌进博士参与了该论文的部分工作。

如变色龙般的智能胶体

在彩色电子纸的应用中，带电颜色粒子可以根据施加电压的情况实现不同聚散和分布情况，因而可以用来显示不同的图像和文字。基于此，研究团队开发了一种新型活性胶体材料，通过控制光控制胶体粒子的不同聚散形态，形成多种不同的“相”，并达致宏观变色的效果。“相”是物质在不同状态、不同结构下的不同形态或表现形式。这种胶体可受光的影响，通过控制这些“相”之间的比例和位置，制造出更复杂的微米级结构。

简而言之，就是可以运用光学活性材料呈现出变化多端的图案与色彩。

活性智能材料的新突破

近年来，光驱微纳米机器人技术的快速发展为研发活性材料提供了良好的环境。人们可以通过改变入射光的光强、波长、偏振等因素而精准调节粒子的速度与运动方向，并透过改变局域化学梯度场改变粒子间的有效相互作用。这为实现活性粒子的智能化，进而实现群体智能提供了重要的契机。

基于此，研究团队设计了一种波长选择性TiO2活性胶体系统，其中活性胶体粒子用光谱特征染料编码，形成光致变色胶体群。粒子-粒子的相互作用可以通过结合不同波长和强度的入射光来灵活调节，从而实现可控的胶体聚集和分离，为研究微纳粒子的相行为和结构演化动力学提供了理想的模型。

受自然界中光致变色现象启发，研究团队进一步通过混合青色、品红和黄色胶体形成动态光致变色墨水，并在宏观上实现了光致变色。

这项新技术比传统的变色材料更加可靠和便利，为彩色电子纸和自供电光学伪装等应用提供了一种更加简便的方法，有助于促进人类对人造活性材料的“群体智能”的理解，并为活性智能材料的设计开辟新方向。

只有积小步才能成大步

和大多数重大创新成果的诞生过程一样，本次成果的取得也不是一日之功：

论文第一作者郑靖2018年还在香港大学从事博士后研究之时，就在导师唐晋尧教授的指导和支持下开展相关的研究工作，直至2022年2月正式加盟厦大化院侯旭团队，依然在进行补充实验以及论文修改。

从想法的提出到论文的刊发，五年的时间里，研究团队投入了大量的时间和精力在“观察”和“试错”上。

粒子运动观测和图像拍摄需要借助显微镜完成，团队必须高度专注地观察不同的实验条件下图像细微的变化。“最难的是发现现象，发现微小现象后，要及时确认实验结果和优化。错过任何一个细节，结果都可能谬之千里。”郑靖说。

从各色的染料到各类的光谱，光强多少？波长多少？光路如何设计搭建……团队需要在一次次的定量微量调节中，认真观测哪种组合有效果，并进行仔细筛分，之后通过表界面改性，调整粒子的光谱吸收，调整粒子对不同的光的响应。为了得到理想的实验参数和结果，团队日以继夜奋战在实验室，甚至2022年大年初一的时候，团队还在讨论和修改论文。守得云开见月明，在反复的观测和试验中，显微镜下的图像变得越来越清晰。

“对每个科研人来说，做研究没有捷径，只有积小步才能成大步，奋斗这条路上没有终点。”郑靖说。

受变色龙启发创造出的其他新材料

人类是最善于学习和创造的高级动物。变色龙的本事使不少军事家和材料科学家羡慕不已，都想学学变色龙的本领,看看它是怎样练就这身变色功夫的。后来发现它的真皮内有多种色素细胞,通过伸缩身体而使表皮色素细胞发生变化,也就变化出多种颜色。

1989年日本东邦人造纤维公司研制出一种叫丝为伊变衣服,在室内穿时是一种颜色,但到室外在阳光下一晒,它就变成蓝色或紫色。原来，这种衣服是用一种能因感受紫外线而改变颜色的有机纤维制成的,只要太阳中的紫外线照到衣服上,颜色就发生变化。日本东邦人造纤维公司还制造了一种变色游泳衣,穿这种游泳衣的人在岸上是一种颜色,只要一跳进游泳池，它就会变出红蓝绿等鲜艳色彩。原来,这种衣服是用一种感温纤维制成的,只要周围温度一变化,它的颜色就会改变。感温变色游泳衣就是利用野外室内水中和海岸温度的不同而变化出各种颜色的,它给人以美的享受和刺激。

1991年在伦敦举行过一次别开生面的时装表演，女模特身着款式新颖的时装行走时,服装不断改变颜色。原来这是英国的材料科学家研制的一种液晶服装面料，这种面料在28-33C的范围内具有变幻莫测的色彩。如在28C时衣服呈红色,在33C时又呈黄色。模特在行走时使衣服以不同速度和方向摆动,身体各部位的体温就发生变化,这样时装就会变幻出彩虹般的迷人色彩。

2023年2月，天津大学封伟教授团队成功研发新型智能材料。这种新材料不仅能变色，还有形状记忆和自愈合功能。该研究被选为国际期刊《德国应用化学》封面文章。

研究人员受自然界变色龙智能变色机制启发，将动态共价硼酸酯键引入主链型胆甾相液晶弹性体中，同时利用热激发动态B-O键交换特性，实现了变色薄膜的任意颜色和三维形状可控编程，并且其形状和颜色能够通过改变温度实现可逆调控，成功研发新型智能材料——“智能变色液晶高分子薄膜”。

据介绍，这种新材料厚度只有200微米，兼具力致变色、形状可编程和优异的室温自修复能力：在被拉伸时可以发生颜色变化；被切断后在断口处加几滴水，一段时间后材料就能重新愈合，从而具有更长的使用寿命。该材料还拥有“记忆编程”特性，可以被拉伸成任意二维或三维形状并保持不变，当材料加热到相变温度以上后，又能恢复到最初的形状。

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