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  在自然界中，各種生物所表現(xiàn)出的顏色可分為兩大類：化學(xué)色和結(jié)構(gòu)色。化學(xué)色是由生物體內(nèi)的各種色素產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)色是由特定波長的光線與納米級的結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生。變色龍也不例外，它的虹細(xì)胞中的鳥嘌呤納米晶體正是這樣一種可以與自然光作用產(chǎn)生絢麗結(jié)構(gòu)色的納米晶體。當(dāng)變色龍?zhí)幱谄届o的狀態(tài)下時，這些晶體排列緊密。而當(dāng)變色龍緊張時，它們會主動控制晶體的疏密程度，使其排列更加松散，這樣的結(jié)構(gòu)會反射波長更長的光，于是展現(xiàn)出更鮮艷的結(jié)構(gòu)色。而這一系列變化，在眨眼之間即可完成。這種可逆的結(jié)構(gòu)色變化正是由特殊的各向異性結(jié)構(gòu)與自然光相互作用而產(chǎn)生。

  應(yīng)力響應(yīng)型智能材料能夠顯示由外部應(yīng)力引起的顏色變化，能夠廣泛用于機(jī)械損傷和應(yīng)力應(yīng)變成像分布，因而在在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。以往，基于纖維素納米纖維/晶體構(gòu)建的各向異性復(fù)合水凝膠因其具有優(yōu)良的柔韌力學(xué)和應(yīng)力誘導(dǎo)的快速且敏感的響應(yīng)，成為最為一類廣泛的研究對象。然而，這些水凝膠仍然面臨著一些問題，比如只能在水環(huán)境中穩(wěn)定存在，且力學(xué)承載能力有限。因此制備具有高強(qiáng)韌力學(xué)且擁有快速應(yīng)力誘導(dǎo)色彩響應(yīng)的智能材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

  基于課題組前期在利用無機(jī)離子寡聚體構(gòu)建均相結(jié)構(gòu)（Nature 2019, 574, 394-398，Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2071-2075）和分級層次結(jié)構(gòu)（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908556）材料的巨大優(yōu)勢，通過使用超小尺寸的磷酸鈣寡聚體（直徑 ~ 1.75 nm）作為羥基磷灰石納米線的前驅(qū)體和聚乙烯醇作為彈性有機(jī)基質(zhì)來構(gòu)建具有應(yīng)力響應(yīng)的薄膜材料。結(jié)果表明，所得到的薄膜具有優(yōu)異的韌性（48.3±5.2 MJ m^-3）。在外加循環(huán)應(yīng)力作用下，嵌在聚合物網(wǎng)絡(luò)中的羥基磷灰石納米線可以在高分子鏈的帶動下排列成高度有序的晶體陣列。在正交偏光系統(tǒng)下產(chǎn)生強(qiáng)烈的雙折射，且能夠用肉眼觀察。因此，本研究為利用超小無機(jī)離子寡聚體制備具有超韌力學(xué)性能的功能薄膜，為其在智能應(yīng)力檢測設(shè)備中的潛在應(yīng)用提供了一條途徑。此外，本研究為利用超小尺寸的無機(jī)離子寡聚體制備具有特定功能、結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料提供了新的方向。

仿生變色龍皮膚的薄膜制備方法及結(jié)構(gòu)

仿生變色龍皮膚的薄膜的超韌力學(xué)性能

仿生變色龍皮膚的薄膜在應(yīng)力作用下的微觀結(jié)構(gòu)與色彩的關(guān)系

仿生變色龍皮膚的薄膜在循環(huán)應(yīng)力作用下表現(xiàn)出與變色龍皮膚類似的變色行為

  研究成果發(fā)表于近期的ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。論文的第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系博士生余亞東，共同通訊作者是浙江大學(xué)化學(xué)系劉昭明特聘副研究員和唐睿康教授。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c09212