化学所李明珠研究员课题组和北航程群峰教授课题组合作Angew：仿生可变色的光子晶体硅弹性体剪纸艺术

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来源：X-MOL资讯

蜂鸟，闪耀的精灵，翩然举翮间洒落一片流光溢彩，汇聚一盏明灯，照亮显示缤纷的未来。图1. 长嘴星喉蜂鸟
动态色彩作为一种重要的交流信号对于许多生物的生存是必不可少的。一方面，生物可以利用伪装色来躲避天敌的攻击，或将其变换成警戒色向入侵者发出警告；另一方面，闪动绚丽的色彩能让它们获得异性（传媒）的青睐。在大自然的启发之下，科学家们提出了利用动态色彩的显色原理来制备显示屏的构想，并制备出了大量可以通过外部刺激（如光、电、力、热、磁等）来调节颜色的动态结构色材料。但是，这些动态结构色材料主要是通过改变其周期结构和组成来实现色彩变化，频繁的结构变化往往会导致微纳精细结构的损伤，可重复性差；其次，现有的动态结构色材料的响应时间较长，很难实现结构色的高精度准确调控，不能满足动态显示的要求。因此，如何实现动态结构色的快速、精确、可重复调控，仍然是一个巨大的挑战。
近期，中国科学院化学研究所李明珠研究员课题组和北京航空航天大学程群峰教授课题组合作，受蜂鸟羽毛色彩调控机制的启发，制备了一种柔性、机械致动、具有光子晶体涂层的彩色PhC-PDMS kirigami薄膜，能够实现全光谱色彩的精确控制，并且可实现10000次以上的循环。研究团队利用激光切割技术将一种非对称的阵列结构设计赋予到PDMS载体上，然后在PDMS上构筑了由单分散小球密堆积形成的二维光子晶体薄膜，得到了PhC-PDMS kirigami。由单分散聚合物小球组装而成的二维光子晶体的光子晶体带隙为赝带隙，具有很强的角度依赖性。在单轴拉伸应力的作用下，剪纸结构中的矩形鳞片会随着拉伸强度的增强从平面薄膜中翘起，剪纸结构从二维平面结构转化为三维立体结构，同时薄膜鳞片的颜色从红色转变为蓝色；当应力释放时，薄膜可恢复为初始红色。
图2. PhC-PDMS kirigami的制备过程
当拉伸PhC-PDMS kirigami时，PhC矩形鳞片弹出角度与单轴拉伸载荷相关，仅需要27%拉伸量，弹出角度即可实现0°~ 46°的变化，当固定光源与观测角度时，PhC矩形鳞片的颜色与弹出角度一一对应，从而薄膜色彩能够在全可见光谱范围内精确调控。由于在整个变色过程中，只是宏观剪纸结构的变化，PhC矩形鳞片表面的纳米周期结构并没有改变，因此经过10000次循环，PhC矩形鳞片色彩仍然与初始状态一致，并且能够精确调控获得目标颜色。
图3. 结构色精确可控的PhC-PDMS kirigami
利用PhC-PDMS kirigami结构色的精确可调特性，研究团队演示了其用于关节运动监测、交通信号指示灯和全彩显示器等的可视化应用。值得注意的是，PhC-PDMS kirigami除了可以实现色彩均匀一致的显示之外，还可以利用厚度对翘起角度的控制关系实现图案化的显示。研究团队分别设计了具有横向厚度梯度和纵向厚度梯度的PhC-PDMS kirigami。当薄膜受到单轴拉伸应力时，由于厚度的差异导致了矩形鳞片翘起角度不同，从而使薄膜显示出渐变的结构色。此外，研究团队还实现了不同数字的可编程显示。PhC-PDMS kirigami显示出了在体育行业、医疗应用、可穿戴伪装和低能耗无需背光源的彩色显示器的重要应用前景，为反射式显示技术和产品的开发与应用开辟了新的途径。
图4. PhC-PDMS kirigami的应用：利用薄膜厚度对翘起角度的控制关系，通过控制薄膜厚度分布，有效地实现了图案化显示。
该研究成果发表在国际顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition ）杂志上。本工作中国科学院化学研究所为第一完成单位，中国科学院化学研究所博士生赖欣涛、北京航空航天大学博士生彭景淞和北京航空航天大学程群峰教授为共同第一作者。中国科学院化学研究所李明珠研究员为该论文的通讯作者。合作者还包括中国科学院化学研究所宋延林研究员、北京航空航天大学江雷院士、清华大学邹贵生教授、刘磊副教授等。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202103045

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