受蝴蝶翅膀启发：研究人员设计出用于光学设备的柔性变色系统

香港大学(HKU)的研究人员设计了一种创新的像素化、柔性的变色系统，称为可变形凹槽阵列(MoCA)。像素化、柔性的变色系统是可延展的结构，可以通过操纵光来改变颜色。它们在广泛的行业中都有应用，从如果感染就会改变颜色的医疗绷带，到智能手机和平板电脑上的可折叠屏幕，以及将传感器集成到服装织物中的可穿戴技术。

 这项研究由香港大学机械工程系的Anderson Ho Cheung Shum教授和中国科学院化学研究所的Mingzhu Li教授共同指导，并由香港大学机械工程系的Yi Pan博士领导。

 这项研究发表在《先进科学》杂志上，题为“通过由2D光子晶体弹性体驱动器组成的生物感应可变形凹槽阵列(MoCA)实现像素化响应结构颜色”。由香港大学研究人员制作的MoCA是一种薄的(其厚度相当于约三根人类头发)橡胶状结构，由两层组成——顶层是光子晶体弹性体执行器(PC-EA)薄膜，底层是一个孔阵列——一个有规则间隔的圆孔的晶格。

一个像素化的变色柔性系统，模仿蝴蝶翅膀的变色结构。

PC-EA薄膜本身由两层组成——顶部的弹性体层(GPDMS)和底部的水凝胶层(pNIPAM)。

如果将乙醇添加到pNIPAM层，它会膨胀，产生的张力将弹性体GPDMS层向下拉入阵列中的孔中，产生一个碟状凹形，称为可变形凹陷(MoC)，作为像素。在形成凹陷后，红光被阻挡，像素的可见颜色从红色变为蓝色。

MoCA的灵感来自蝴蝶翅膀上的结构，称为双色微凹陷，可以产生充满活力的彩虹色。

双色微凹陷是微小的凹坑，可以阻挡特定波长的光，根据光的角度和观察者的视角产生两种不同的颜色。在蝴蝶翅膀上，这些凹坑被排列成一种被称为光子晶体的规则结构。MoCA复制了蝴蝶翅膀的光子晶体，作为第一个依靠平面和凹结构产生不同颜色的像素变色系统的例子，它是革命性的。

Pan博士说：“MoCA的变色策略是通过改变其局部形态实现的，特别是通过控制“平面”和“凹”状态之间的过渡。这使得MoCA有别于其他像素变色系统”。

另一个突破是像素的颜色变化可以单独控制，因为在MoCA中，每个像素都连接到一个单独的“管道系统”，通过该系统输送乙醇。

Pan博士解释说：“我们使用多通道微流体引入和去除溶剂来控制MoCA，为传统的电致变色方法提供了一种补充方法”。

MoCA可以用于伪造——例如隐藏在产品中，如服装、图案或QR码，这些产品只能在特定条件下可见。然而，港大团队的长期目标是利用MoCA背后的原理——软物质和微流体，来构建模拟和超越昆虫复眼能力的光学设备。

复眼包含多个光处理结构，并提供非复眼视觉的几个优势，如更广阔的视野和同时聚焦多个物体的能力。

Shum教授解释说，人眼中晶状体的变形使我们能够聚焦不同的距离。MoCA的单个单元可以变形的技术——使形状从平坦变为凹陷——可以利用来创建多个透镜，可以单独改变聚焦。

晶状体有自己的优势，如更强的聚焦能力、更高的分辨率和更好的色彩感知能力。

Shum教授说：“结合复眼和晶状体的光学设备不仅模仿自然，而且超越自然。”

相关链接：https://phys.org/news/2023-09-butterfly-wings-soft-color-changing-optical.html