变色龙灵感启发的柔性光子晶体制备及可视化应变测量

来源：高分子科学前沿

结构色通过光与光子晶体表面纳米级的周期性结构相互作用产生，具有颜色稳定、亮度高、色彩斑斓等特点。在亿万年的进化历程中，结构色在自然界的生物多样性形成了各种巧夺天工的神奇现象。蝴蝶翅膀、鸟类羽毛、昆虫外壳等生物结构中的各种奇异颜色都是具有结构色的光子晶体的宏观显示，其中最具代表性的莫过于变色龙的结构色，它的皮肤不但可以形成结构色，更重要的是可以进行结构色的变幻，这归功于其肌肉收缩和舒张时对皮肤表面类光子晶体结构的参数调控。

图1. 变色龙变色机理来自于表皮的纳米级光子晶体 (来自于参考文献：Photonic crystals cause active colour change in chameleons Nature communications)

研究发现，变色龙皮肤的变色是通过肌肉变形改变光子晶体的晶格常数和平均折射率来实现的。许多研究人员致力于研究通过变形对柔性光子晶体的结构色进行调控，并尝试将其运用于科学研究和工程实践中。目前，文献报道的柔性光子晶体产生可见光范围内的全色域调控所需的变形量过大，制约了其在科学研究和工程实践中的应用。

近日，西安交通大学机械工程学院机器人与智能系统研究所李博与陈花玲团队提出并展示了一种基于纳米压印转移方式制备柔性光子晶体的方法，并将所制备的材料应用于低应变区间下的高灵敏度可视化应变测量。

图2. 纳米压印转移法进行光子晶体的制备过程 (a) 纳米压印制备模板 (c) 柔性PDMS对纳米结构的转移

研究者采用纳米压印工艺在柔性材料硅橡胶（PDMS，polydimethylsiloxane）上制备出了具有周期性圆柱孔结构的柔性光子晶体，在30%的变形范围内可以实现结构色在可见光范围内的全色域调控。随后通过2000次以上的循环拉伸试验证实了该材料在经历多次拉伸变色循环后，仍具有良好的形状回复能力和变色能力，拉伸变色稳定性好。

图3. (a) 光子晶体应变拉伸的变色机理 (b) 应变下的颜色及晶格的变形特征 (c) 色度上的应变变色关系 (d) 应变下的光子晶体反射谱

得益于小应变范围下的优秀变色能力，研究人员提出并展示了一种低应变区间下的高灵敏度可视化应变测量方法。将所制备的柔性光子晶体与碳纳米管复合材料（CNTs/PDMS composites）相结合制备了可视化应变测量器件，该器件能够通过颜色对30%以下低应变区中四种应变范围进行区分显示。得益于小变形量的敏感性，该传感器为低应变区间下的可视化应变测量提供了一种技术方法，使其在拉伸应变的可视化监控方面具有很好的应用前景。

图4 (a) 光子晶体与碳纳米管复合材料结合得到的柔性传感器设计 (b) 制备得到的传感器 (c) 随着时间拉伸下的电阻与颜色关系 (d) 通过电阻归一化得到颜色与应变的传感关系 (e) 可视化传感器与传统电阻传感器的灵敏度比较

相关结果发表在Smart Materials and Structures上，文章的第一作者为西安交通大学在读博士，太原工业学院讲师赵鹏飞，通讯作者为西安交通大学李博副教授和陈花玲教授。该研究工作得到了自然科学基金共融机器人重大研究计划培育项目的资助。

论文题目：Stretchable photonic crystals with periodic cylinder shaped air holes for improvingmechanochromic performance

文章在线地址：

http://dx.doi.org/10.1088/1361-665X/ab1fb8