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中国科学报:他曾梦想“隐形”超能力,多年以后实现了
文:记者 杨晨 通讯员 罗莎 图:罗莎 来源:新闻中心 时间:2024-12-05 520

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 《中国科学报》 (2024-12-04 第3版 领域)

王东升--罗莎 摄影.png

王东升。罗莎/摄

  王东升曾在网上碰到过这样一个问题:如果有机会获得一项超能力,你想要哪一种?他的选择是“隐形”。没想到多年后,这一在当时不切实际的“梦想”竟然成真了。 

   如今,电子科技大学光电科学与工程学院副教授王东升和教授韦晨、郑永豪研发出一种能在环境光线作用下自动变换为相应颜色,从而实现“隐形”的材料。近日,相关研究成果发表于《科学进展》。 

 该研究的灵感源自王东升最爱的摄影。爱好和专业相辅相成,王东升的学术世界流光溢彩。 

材料界的“变色龙” 

  在自然界,变色龙会根据心情、环境和温度的变化来改变皮肤颜色。王东升和团队研发的“光致变色”材料受到光源激发后颜色会发生变化,被称为材料界的“变色龙”。该材料有一种“自适应光致变色”(SAP)功能,即完全靠材料本身的性质识别环境颜色并始终与其保持一致。

  研究人员将装有SAP材料的方管罩上绿色亚克力盒后,盒内逐渐腾起绿色的“烟雾”。经过10秒左右时间,原本在白光光照下呈黑色的材料,已完全与绿色亚克力盒“相融”。如果换成橙色或红色的亚克力盒,材料也会随之“变装”。 

  据了解,国外曾有研究人员研制过类似的“变色”系统,主要利用摄像头捕捉环境颜色,根据温度或拉伸的条件实现颜色的变化。但该系统高度依赖电子设备,且设计复杂、造价高,一旦受到外部影响就会“罢工”。 

  王东升介绍,SAP材料完全依靠自身“反应”实现变色,从以前的“有源式”伪装进化到“无源式”伪装。 

  变色龙之所以能够变换体色,是因为身体内部的神经学调控机制,能够“指挥”皮肤表层内的色素细胞。但材料没有“神经系统”,如何实现自我调控? 

  一种名为给体-受体斯坦豪斯加合物(DASAs)的光致变色分子发挥了作用。DASAs分子在可见光作用下会从有色转变为无色,王东升和团队将不同种类的DASAs分子“融合”为一种新材料。 

  每一类DASAs分子就像一个调色“开关”,受到特定光线照射后,对该光线的吸收能力就会下降,并反射出来使材料变色。整个运行机制如同一个控制电路,在某种光线照射下,只会触发相应的分子“开关”,而不引起其他变动,从而“亮起”与光线一致的颜色。 

  此前,大多数光敏材料与器件的整体控制逻辑都很简单,呈现“0”和“1”的对立切换关系。例如,光控药物释放系统的“打开”和“关闭”、加密与防伪领域中信息的“显影”与“隐藏”、有机光电二极管中的“导通”与“断开”…… 

  “我们希望这样单一的开关式控制逻辑,能够向多状态、多模式、多阶段发展。”王东升说,就像是自己手中相机上的模式转盘,可以随时精准切换不同的拍摄模式。 

  王东升认为:“人类能感受到环境的复杂并作出不同反应,材料也可以。我们顺应材料本身性质去设计,也许就能更好地开发它的敏锐性。” 

互补色的灵感

  怀揣这一想法,王东升3年前开始着手SAP材料的研究。在摄影中养成的对色彩应用的感悟力,激发了他不少灵感。

  每次按下快门前,王东升对相邻色、互补色、分裂互补色等颜色关系的使用熟稔于心——想要照片更有张力、视觉更具冲击力,互补色的应用很关键。明亮橙色的花朵和青色天空,就是一组不错的搭配。 

  王东升有一次偶然打开了一张色环图。看着每组呈对角线分布的互补色时,陷入了沉思:“互补的两个颜色,在光谱上呈现的‘吸收’和‘反射’也是相对的。” 

  可见光光谱主要分为赤橙黄绿青蓝紫7种原色光,每种颜色的可见光对应不同的波长范围。周围物体之所以会呈现特定颜色,是因为能反射这种颜色相应波长的可见光。同时,物体还会吸收其他不同波长范围的可见光,而对自身颜色互补色光线的吸收是最强烈的。“如果我们想让物体变色,能否从其互补色入手?”王东升不禁产生了好奇。 

  他想到了DASAs的可变色分子,其特性就在于如果受到与自身颜色互补色光线的照射,就会变无色。而且,DASAs不“拖泥带水”,反射某种可见光的同时,只吸收与其颜色互补的可见光。 

  有了这个想法后,王东升做了初步的探索,花一个多月做出了一个薄膜材料。虽然成品较粗糙,但看到在绿光照射下,材料缓缓显出淡淡的绿色时,他信心倍增:“这个事应该成了。” 

  接下来的3年时间里,王东升经历了提出理论、设计材料、实测结果、验证理论等过程。他先花了一年多时间,把分别吸收不同颜色的多种DASAs分子进行组合配比,采用稳定且可复制的制备方式,使最终合成的SAP材料能够在绿色、黄色和红色的光线照射下,变化出相应的颜色。 

  SAP材料还能在红色仙客来、黄色银杏和绿色黄金葛三种不同的植物丛中,识别出环境颜色并“隐匿”其中,提高了材料的应用性。王东升发现,有意思的是该材料可作为自适应伪装涂装材料,以涂料形式进行应用。换句话说,如果涂在衣服上,就能实现“隐身”。 

充满“美”的研究      

  “目前来看,我们还没有完全实现对可见光光谱内所有颜色的调控,这是以后努力的方向。”王东升的“眼界”不局限于可见光区,他希望升级版的材料还能在紫外光区、红外光区等实现自适应变色。

  因为世界上很多颜色都不是标准七彩原色。比如,同一种颜色,有的鲜亮,而有的暗淡,这是由光照值,即光的强度或亮度决定的。 

  “虽然环境颜色的深浅并不影响材料识别是‘哪种色’,但我们考虑了材料对于光照值的识别能力,让显现出的颜色更为接近。”王东升说,目前研究急需完善的是实现对不同混合色光谱级别的识别与模拟。 

  说到这里,王东升突然饶有兴致地提到了自己最喜欢的动物——皮皮虾的“亲弟兄”雀尾螳螂虾。 

  人的眼睛中有感受红、绿、蓝三种颜色的视锥细胞,这三种颜色恰好是自然界的三原色。因此,在人类自身发达的视觉和大脑处理系统支撑下,我们可以感受五彩的世界。 

  “相比之下,雀尾螳螂虾的眼睛拥有16种视锥细胞。它不仅能比人类看到更多彩的世界,还能看到紫外线、红外线,甚至是弧形偏振光。”王东升说,拥有如此好“视力”的雀尾螳螂虾,就算在瑰丽、绚烂的珊瑚礁里穿行,也不会“乱花渐欲迷虾眼”。 

  雀尾螳螂虾的特殊能力激发了王东升新的研发思路。“或许未来我们会在材料中加入更多的光致变色分子,又或者去缩短分子间在光谱上的距离,总之要找到更多路径,让材料更加敏锐。” 

  让王东升欣慰的是,目前来看,在-20℃到70℃的温度范围内,材料的变色功能都可以正常发挥,满足了大多应用场景的需求。“只是变色的速度从10秒到20秒不等,暂不可控。” 

  尽管还有很多难题需要攻克,但这项研究在王东升眼里也是充满“美”的,而他也愿意给这份工作增添更多乐趣。 

  平日里,王东升在汇报PPT文字、论文插图的颜色选取上,都会参照经典的配色方案,让复杂的数据和专业的文字凸显出艺术美感。“我希望看到它的人,都觉得是生动且有用的,不仅让外行人看到热闹,也让内行人看到门道。” 

  摄影,是王东升在10多年光敏分子与材料研究生涯中特殊的陪伴。在研究中,如果一时半会儿想不出解决方案了,他就会带上相机走出实验室。“有时候就是要跳出固有的环境或者思维,多看看其他的。走走停停中,说不定就能找到那把‘钥匙’。” 


  报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/yVz3mwP3epneyPAzuih9Uw


编辑:罗莎  / 审核:王晓刚  / 发布:陈伟