科学探索|研究人员使用液晶聚合物网络实现类似章鱼的“主动伪装术” 研究人员使用液晶聚合物网络

动物王国中充满了具有主动伪装功能的生物。看起来像一堆单调的沙子和岩石，实际上可能是一只色彩鲜艳的乌贼，它们扩大和收缩皮肤内的结构，以显示出棕色和灰色的色调，而不是充满活力的蓝色和黄色。这些细胞被称为色团，它们可以根据外部刺激扩大和缩小内部反射板，使动物能够与周围环境的颜色和图案相匹配，并在瞬间消失。
现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员正从这种主动伪装中获得灵感。利用由液晶聚合物网络制成的薄而灵活的膜，这些研究人员已经开发出一种人工色团，可以根据指令瞬间改变颜色--从近红外到可见光到紫外光。

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由于每个人工色团就像一个像素，研究人员的原型能够与周围的颜色和纹理相匹配，以达到伪装的效果
这些膜位于排列成网格的微小空腔上，每个空腔都可以通过气动方式充气到一个精确的压力。当一个空腔充气时，膜被拉伸，收缩其厚度并改变其表面颜色。
【科学探索|研究人员使用液晶聚合物网络实现类似章鱼的“主动伪装术”】最重要的是，这些膜不需要被拉伸很多来达到这种效果。使用相当于轻轻触摸的压力，它们的颜色可以被改变为可见光谱内的任何东西。使用类似机制的变色材料在历史上需要变形75%才能从红色转变为蓝色，这使得它们无法在有固定尺寸的环境中使用，如显示器或窗户。
由于研究人员的人造发色体需要不到20%的变形就可以达到同样的效果，它们可以像液晶显示器中的像素一样排列，而且，由于研究人员的系统中的分层液晶有自己的反射颜色，它们不需要背光，因此不需要持续的电源来维持其固有的鲜艳外观。

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Shu Yang和Se-Um Kim
虽然研究人员的原型显示器每个只有几十个像素，但一项展示其变色能力背后原理的研究概述了其在各种伪装技术中的潜力，以及在建筑、机器人、传感器和其他领域的应用。
这项研究发表在《自然-材料》杂志上，由材料科学与工程系约瑟夫-波多格纳教授兼系主任杨舒和当时在其实验室做博士后研究的Se-Um Kim领导。Yang实验室的成员Young-Joo Lee、Jiaqi Liu、Dae Seok Kim和Haihuan Wang也对这项研究做出了贡献。
"我们实验室一直对结构颜色感兴趣，包括如何通过使用机械力来改变它，"Yang说。"例如，我们之前证明了一种变色的聚合物可能对士兵和运动员的脑部创伤发出信号。在研究一些动物如何进化出结构性颜色时，我们意识到它们有像显示器中的像素一样工作的弹性细胞，我们有可能采取类似的方法。"
结构性色彩，即赋予蝴蝶翅膀和孔雀羽毛彩虹色的现象，通常比颜料或基于染料的颜色更亮，是在光线与表面的微观特征相互作用时产生的。在研究人员的显示器中，这些特征存在于一类被称为"主链手性线型液晶弹性体"或MCLCEs的材料中。液晶是内在的各向异性材料，这意味着它们的特性根据其方向性而变化。MCLCE的螺旋形状允许大的弹性各向异性，因为螺旋的间距可以轻易改变。
显示器中的一个空腔被充气时，其MCLCE膜被拉伸，就像压缩弹簧一样，这减少了膜内液晶螺旋的间距，改变了反射到观看者身上的光的波长。通过绘制出使每个人工色团达到所需颜色所需的确切压力，研究人员能够像显示器中的像素一样对它们进行编程。即使没有为每个像素单独设置气动泵，这种水平的控制也是可能的。