在自然界中,有些動物在受到刺激后可以改變自己的顏色,以躲避敵人和捕食者。這一特性主要是由于動物身體表面微/納米結(jié)構(gòu)對外部刺激響應(yīng)的變化。研究者受這一自然現(xiàn)象的啟發(fā),目前已開發(fā)出多種可根據(jù)外部刺激(例如機械力,生物力學(xué)致動,溫度,化學(xué)成分,電力和磁力)靈活地進行顏色變化的材料。這種特有的響應(yīng)性意味著結(jié)構(gòu)著色技術(shù)可能非常適合用于傳感器,機器人,智能窗戶和防偽等方面。
到目前為止,大多數(shù)具有結(jié)構(gòu)著色特性的材料在外界刺激下能夠主動、靈活地顯示各種顏色。然而,實現(xiàn)隱-顯轉(zhuǎn)換顏色行為,特別是在透明狀態(tài)和有色狀態(tài)之間的切換,則更具挑戰(zhàn)性和吸引力。
基于此,韓國蔚山科技大學(xué)Kyungjun Song和Taesung Kim共同報道了一種由圖案化噴墨打印的剛性SiO2納米顆粒(NP)和柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成的復(fù)合器件。由于PDMS和SiO2 NPs的光學(xué)特性相似,該器件在正常狀態(tài)下是完全透明的。但是,由于兩者之間的機械強度相差很大,在壓縮載荷下,器件表面產(chǎn)生屈曲型失穩(wěn),產(chǎn)生一維或二維褶皺陣列圖案。然后這些陣列充當(dāng)多維光柵,根據(jù)觀察角度顯示各種結(jié)構(gòu)上可切換的顏色。
SiO2-NPs/PDMS復(fù)合器件的構(gòu)建
首先,以SiO2 NPs作為墨水,在玻璃基板上進行間隔為150 um的圖案化噴墨打印。每一滴墨水蒸發(fā)后會在玻璃基板上形成一個咖啡環(huán)狀的納米結(jié)構(gòu)(圖1)。然后將PDMS灌注到這些納米結(jié)構(gòu)中,以封裝圖案化的SiO2 NPs,待固化后將PDMS板剝離。由于PDMS和SiO2 NPs具有非常相似的折射率(即nSiO2 = 1.475, nPDMS = 1.43),SiO2-NP/PDMS復(fù)合器件外觀完全透明,即使在白色和藍(lán)色的背景上,印刷圖案也無法顯現(xiàn)。此外,SiO2-NP/PDMS復(fù)合器件具有高度的柔性,允許外界對器件施加多種機械刺激。
復(fù)合器件在不同外部刺激下的結(jié)構(gòu)變色機制
SiO2-NPs /PDMS復(fù)合器件在正常狀態(tài)下是完全透明的(圖2a),一方面是因為SiO2和PDMS的反射指數(shù)值相似。另一方面是因為在正常狀態(tài)下咖啡環(huán)周圍周期性的皺紋圖案完全不存在,因此該器件不會產(chǎn)生光柵結(jié)構(gòu),也不會干擾光線。但是當(dāng)器件向內(nèi)彎曲時就會出現(xiàn)“UNiST”徽標(biāo)的彩色圖像(圖2b)。這是因為向內(nèi)彎曲引起的壓縮力誘導(dǎo)SiO2-NPs/PDMS層狀復(fù)合表面沿y軸產(chǎn)生周期性的褶皺陣列,該陣列表現(xiàn)為一維衍射光柵,它將白光源分解為不同顏色的光譜(圖2e)。因此,當(dāng)設(shè)備彎曲時,透明的 SiO2-NPs /PDMS復(fù)合器件顯示出彩虹色,顏色取決于觀察角度。相反,當(dāng)器件向相反方向(向外)彎曲時,則不顯示任何顏色(圖2c)。這可能是由于SiO2-NPs/PDMS層狀復(fù)合表面在相反外力刺激下沒有產(chǎn)生褶皺陣列。作者通過研究發(fā)現(xiàn)在厚而軟的襯底/層表面(PDMS)上的薄而硬的薄膜/層(SiO2-NPs)在壓縮應(yīng)力作用下能夠呈現(xiàn)波紋狀(圖2d),形成具有周期性的皺紋/圖案陣列。
隱-顯變色機制的應(yīng)用
將向內(nèi)彎曲的SiO2-NPs/PDMS復(fù)合器件旋轉(zhuǎn)90°時,彩虹色就會神奇的消失(圖3a)。這是因為沿y軸彎曲時皺紋為一維結(jié)構(gòu)形式(向內(nèi))。光柵結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)后將入射光衍射成幾個不同方向的光束,這與光束間距和光波長密切相關(guān)。如果觀察角度位于沒有光束可以通過或多個光束可以通過的空間/區(qū)域之外,就會導(dǎo)致觀察的透明性。該特性使器件僅在特定角度范圍內(nèi)顯示顏色,從而增強了信息的保密性,以滿足特定情況的需要。但是當(dāng)給復(fù)合器件施加各向同性(2D)的壓力時,旋轉(zhuǎn)90°顏色仍然存在(圖3b),這是因為生成的褶皺從一維平行結(jié)構(gòu)陣列變?yōu)槎S發(fā)散結(jié)構(gòu)陣列?;诖耍髡邞?yīng)用該技術(shù)開發(fā)出了兩種隱蔽的防偽技術(shù),在不同方向的壓縮彎曲作用下,可以分別顯示出正反面打印的笑臉圖案(圖3c);也可以有選擇地將隱藏的、透明的二維碼圖案轉(zhuǎn)化為明顯的二維碼圖案,并通過普通手機對二維碼進行解碼,直接進入預(yù)定網(wǎng)站(圖3d)。
本文鏈接: