手機(jī)腕帶一彎就變色？新型光子凝膠讓日常物品成為智能顯示器

有這樣一種光子凝膠，當(dāng)像擠牙膏一樣把它涂在紙上或塑料上，只需輕輕一拍、輕輕一折或用手指一劃，光子凝膠就能在短短一秒鐘內(nèi)從白色變成彩虹色，未來有望讓日常生活用品變得既漂亮又環(huán)保。這便是由來自上海交通大學(xué)的研究人員打造出的最新材料。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236）

什么是結(jié)構(gòu)色？為什么它很特別？

我們平時(shí)看到的顏色大部分都是色素色，比如一種顏料之所以呈現(xiàn)出紅色，是因?yàn)樗樟似渌伾墓猓灾劣谥话l(fā)射紅色。而結(jié)構(gòu)色就像蝴蝶翅膀、孔雀羽毛或者肥皂泡的顏色，本身沒有色素，只是依靠其表面微小的、規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)來反射特定顏色的光。

我們可以把結(jié)構(gòu)色想象成為無數(shù)個(gè)極其微小的“鏡子”，這些鏡子其實(shí)是只有頭發(fā)絲千分之一大小的塑料小球或玻璃小球，它們按照非常整齊的隊(duì)列排。當(dāng)光芒照射上去之后，這些小鏡子只讓某種顏色的光以一致的步調(diào)反射出來，其他顏色的光則會(huì)被抵消，于是我們就能看到非常鮮艷純凈的顏色。

結(jié)構(gòu)色有很多優(yōu)點(diǎn)：它不會(huì)像顏料那樣褪色，色彩往往更加閃亮，也有著金屬或者珍珠般的光澤，而且更加環(huán)保。但在過去，人們很難制造大面積和高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)色材料，要么速度很慢、要么成本高昂，遑論用于日常生活了。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236）

一拍即晶的秘密配方

而該團(tuán)隊(duì)能夠解決上述難題，在于采用了光子凝膠這種特殊的果凍。它的配方制作流程非常簡單：

首先，準(zhǔn)備大小完全相同的微小塑料球或玻璃球，直徑大約 200 納米，這一尺寸比細(xì)菌還要小得多。其次，把這些小球均勻地混合到一種黏稠的膠水里，這種膠水既可以是我們常見的甘油和蜂蜜，也可以是從甘蔗中提取出來的麥芽糖漿。這些材料不僅安全和常見，甚至可以食用。

當(dāng)把這些小球泡在膠水里的時(shí)候，它們就像被凍住了一樣，亂糟糟地?cái)D在一起，看起來就是一團(tuán)白色的膏狀物，沒有任何的顏色。但是，只需給它施加一個(gè)快速的剪切力，也就是讓膏體的上下兩層發(fā)生快速和微小的錯(cuò)動(dòng)，這時(shí)就能瞬間反射出鮮艷的顏色。

我們可以把這種剪切力想象為洗牌。原來雜亂無章的小球，在快速、有規(guī)律的剪切動(dòng)作之下，迅速被整理得整整齊齊。在這項(xiàng)研究中，洗牌的方式簡單而有趣：即把涂有凝膠的薄膜輕輕一彎，或者用手指快速劃過其表面，甚至拿著紙片啪地抖動(dòng)一下，就完成了洗牌和整理的過程。

之所以這么快，是因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)方法讓這些小球進(jìn)行整齊排列時(shí)，需要上千次緩慢的剪切，或者要等待好幾天讓它自己慢慢沉淀和結(jié)晶。而光子凝膠的配方，通過選擇膠水的黏度和調(diào)節(jié)小球的濃度，可以讓小球門處于一個(gè)躍躍欲試的狀態(tài)。

這時(shí)，只需一個(gè) 0.05 到 0.5 秒的快速剪切動(dòng)作，就能在膠水的幫助之下，迅速找到自己的位置，排列成為整齊的閱兵方陣也就是面心立方晶體，從而能夠瞬間發(fā)射出來鮮艷的顏色。

（來源：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236）

那么，這個(gè)變色過程是如何被操控的？這里涉及到幾個(gè)關(guān)鍵的“控制器”：膠水黏度控制器、小球濃度控制器、剪切力大小控制器。

膠水既不能太稀，也不能太稠，像甘油這樣黏度適中的膠水，是讓小球一拍即合的最佳幫手。凝膠中小球的密度也很關(guān)鍵，該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)找到了最佳比例，讓小球門既可以就近交流，又有足夠的空間在剪切時(shí)換位排列。

同時(shí)，輕輕地彎一下和大幅度彎一下，所產(chǎn)生的效果也不相同。小力度剪切可以生長出非常完美的超大晶體，色彩極純；而大力度剪切則能讓整個(gè)材料更快地全部變?yōu)榫w。通過進(jìn)行這些調(diào)節(jié)，即可讓光子凝膠在不同的需求之下，展現(xiàn)出最佳的變色性能。

在應(yīng)用前景上：首先，本次成果可被用于智能交互與顯示，把它做成薄膜貼在手機(jī)或智能手表腕帶上，通過彎曲或觸摸，就能顯示簡單的圖案或者信息，實(shí)現(xiàn)無屏幕的交互；其次，可用于綠色印刷與綠色涂料，這種基于水和甘油的光子凝膠非常環(huán)保，可以使用卷對卷印刷機(jī)將其印刷在紙張和塑料薄膜上，制作成為環(huán)保海報(bào)、裝飾材料甚至建筑外墻涂層等。

參考資料：

相關(guān)論文https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10236