自然界中，許多生物體根據生存需要逐漸進化出獨特的環境適應行為，如海洋中的章魚、烏賊等頭足類軟體生物可以根據環境需要來自適應調節皮膚顏色和圖案，以達到交流、偽裝等目的。在驚訝于頭足類生物皮膚神奇能力的同時，科研工作者也希望發展具有類似精確按需圖案顯示功能的人工合成軟材料，這類材料在傳感檢測、信息加密、柔性顯示、變色偽裝皮膚、軟體機器人等領域頗具應用價值。
目前，人工合成的智能熒光材料主要是利用外界刺激調控特定熒光團的化學結構轉變或聚集結構變化來呈現不同熒光圖案，受限于復雜的結構設計和化學合成，且難以兼顧快速響應、穩定可逆、精確多色調控等需求，圖案顯示能力遠落后于真實的頭足類生物皮膚。對比研究發現，造成這種差別的重要原因是生物體采用完全不同的顏色顯示策略，例如，頭足類生物感知外部環境變化后，會立刻通過神經沖動控制皮膚肌肉細胞收縮/舒張，引起特定色素細胞的伸展/收縮，從而同步地呈現出豐富的色彩和圖案（圖1左）。這促使科研團隊思考，人工變色體系是否可以整合這種機械調控熒光團分布的機制，以及如何開發出更為先進的智能熒光顯示材料和系統。
圖1.頭足類動物變色機理（左）和“光-機械運動”調制熒光系統設計示意圖（右）
中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子團隊基于在智能熒光高分子凝膠的仿生構筑及其功能調控方面的研究基礎（Adv. Funct. Mater., 2021, In Press；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 21890；ACS Nano, 2021, 6, 10415；Cell Rep. Phys. Sci. 2021, 2, 100417；Aggregate, 2021, 1, e37；Adv. Intell. Syst. 2021, 2000239；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243；Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514；Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568等），創新性提出了一種“光控多色熒光凝膠驅動”調制的智能圖案顯示系統，如圖1右所示，該系統的核心是由二維碳納米管（CNTs）薄膜、聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜和多色熒光高分子凝膠通過層層復合得到的非對稱近紅外光響應熒光驅動器。具有光熱效應的CNTs層作為信號“處理器”，可將輸入的近紅外光刺激有效地轉換為熱量，并傳遞給相鄰的PDMS層。由于PDMS層發生熱膨脹，整個驅動器將自發地向熒光凝膠層彎曲，與定制圖案顯示面板匹配后，即可在器件頂部同步表現出動態可逆的多色熒光圖案變化。研究遠程調節近紅外光功率，同一器件可在相同時間內獲得多種不同的熒光圖案或信息（圖2）。基于其精確的遠程時空調控能力、“單輸入、多輸出”的優勢以及對熒光材料的普適性，該類智能熒光顯示系統有望在智能變色畫、信息加密、動態偽裝等領域發揮重要作用，并為多功能仿生變色材料的設計提供新思路。
圖2.動態多色熒光圖案/信息的按需顯示
近日，相關研究成果以Cephalopod-inspired design of photo-mechanically modulated display systems for on-demand fluorescent patterning為題，發表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202107452）上，并被選為Editor's Choice article。研究工作得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃、國家重點研發計劃、中科院青年創新促進會、中德合作國際交流項目和王寬誠教育基金等的支持。
來源： 中國科學院官網、寧波材料技術與工程研究所
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