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人造“变色龙”:身披金银铠,通电就变色

Little歌者 发表于 2016-2-15 15:15:40 [ 上一主题] [下一主题]

本帖最后由 Little歌者 于 2016-2-15 15:23 编辑

重要声明的是此贴来自果壳网——科学人——果壳网@冬鼠包发表——http://www.guokr.com/article/441188/)——LL看的地址——http://weibo.com/p/2309773942744534961269

在自然界,变色龙绚丽多变的体色格外引人注目。而现在,这种“一键换装”的快速变色技能在材料科学家们的实验室里也能实现了:

这只坐在小车上的“变色龙”长相有点呆萌,身上还覆盖着马赛克瓷砖似的方形“鳞片”。别看它长得有点怪,但变色能力可不含糊:“人造变色龙”在红、绿、蓝三色的背景前穿过,每经过一种颜色的背景,它身上的“鳞片”也就立即变成了对应的颜色。

这只人造变色龙是如何诞生的?其实,这是中山大学楚盛教授和武汉大学王国平教授研究团队带来的成果,相关论文今年1月发表在了《美国化学会·纳米》(ACS Nano)期刊上

变色鳞甲的秘密

做一只变色龙模型并不难,只要用3D打印机来那么一下就可以了,而难点在于那身变色的“鳞甲片”。要想获得变色鳞甲,就得寻找可控的变色材料。

显然,“变色龙”身上花花绿绿的颜色不是普通颜料。确切地说,这可是“真金白银”——金银材质的“等离激元金属纳米颗粒”。简单理解的话,可以粗略地将它们看成金和银组成的微小颗粒。

等等,金银怎么是这样的颜色?的确,我们平常所见的成块金属,大多光洁如镜,明亮如银。而如果把金属颗粒的尺寸越缩越小,跨越了厘米、微米,达到纳米尺度,此时金属颗粒们就能摇身一变,展现出丰富的色彩来。这是由于在尺寸小于可见光的波长时,光照会激发金属微粒的电子发生振荡。这种振荡会在可见光区域发生吸收和散射,从而产生颜色。此外,这种振荡的频率还和纳米金属颗粒的大小、形状以及组成都有关联,这就为调节色彩提供了方便

听起来有些抽象?其实金属纳米显色,特别是金、银纳米颗粒的显色,早在千年以前就有所体现。在著名的古罗马酒杯“Lycurgus Cup”中,正是因为玻璃中含有金银的纳米颗粒,酒杯才会在不同的光照条件下,展现出特殊的绿色或者红色色彩(散射光为绿色,透射光则看起来是红色,更多阅读:细说神奇的表面等离子体波)。

不同光照条件下的古罗马酒杯

黄金甲,银叶铠

在这里,研究团队也选用了常见的金纳米颗粒作为变色材料的基础。为了让纳米颗粒保持稳定,研究团队为颗粒们制作了精巧的小单间。利用蚀刻技术,将导电玻璃表面覆盖的二氧化硅刻出一排排整齐的小坑。

刻蚀示意图,侧视图(本文作者制图)

接下来,利用“蒸镀”技术,让金纳米颗粒在这些小坑里“生长”起来:

在小坑中“种”起纳米颗粒。图片来自原论文

然后,给小单间盖上屋顶——含有银离子的凝胶电极片,最后再将整个鳞甲进行封装。这时候,小变色龙的“鳞甲片”就已经被金纳米颗粒染成了漂亮的红色。

种满金纳米颗粒的“鳞甲片”。图片来自原论文

装填纳米颗粒的“黄金甲”有了,但这时它还只能显示红色这一种颜色,怎样才能变色呢?镀银。这时候,前面提到的含有银离子的电极就发挥作用了。在“凝胶电极-金纳米-导电玻璃”构成的回路中,可以通过电化学还原反应将银离子还原成金属银,沉积到金纳米颗粒的表面。

镀上银又有啥用?上文说到,等离激元金属纳米颗粒的组成和形状都会影响呈现的颜色。在对金的核心进行镀银后,随着银壳厚度的增加,纳米颗粒的颜色会由红色经绿色最后转变为蓝色。而只要控制电化学反应的通电时间,银壳的厚度就可以得到控制。

如果把上述反应方向倒转,用电化学氧化反应还可以再将“金核银壳”表面的银壳氧化为银离子而“剥掉”。随着银壳被逐渐剥离,最后会只剩下金核,纳米颗粒的红色也就随之恢复了。实验显示,这样的电化学变色循环在反复200次之后依然可以保持灵敏的变化和各个阶段鲜艳的颜色,有了它,小变色龙就能轻松变色啦。

电化学镀银示意图,不同的银壳厚度会得到不同颜色。图片来自原论文

随着电化学沉积的时间逐渐增加,纳米颗粒的颜色从红色(~ 650 nm)慢慢移向蓝色(~ 420 nm)。图片来自原论文

变色龙,就决定是你了!

至此,变色“鳞片”元件已经完工,通过简单几秒钟的电流控制,就可以实现红色到蓝色之间反复多样的变化了。把这些鳞片贴在3D打印的变色龙模型上,在变色龙的眼睛处装上色彩感应元件,控制各个鳞片中电氧化/电还原反应的时间,这样就可以实时控制纳米颗粒上银壳的厚度,让机器变色龙完美融入背景了。

除了呆萌的机器变色龙以外,研究团队还用这些变色小元件制作了电控显示屏,用它们实时调控显示“SYS”等字样,以及显示风景图“武汉大学一角”的静态画面。这也体现了变色鳞甲片在更多方面的潜在应用。

由于色彩感应元件的限制,“人造变色龙”目前还只是在红绿蓝三种颜色中变来变去。不过,这些“金银甲”的变色能力其实完全可以覆盖整个可见光区域。也许不需要多久,我们就可以看到这种“人造迷彩”在更丰富的领域中应用了。(编辑:窗敲雨,审稿:楚盛,王国平)

文章题图及动图素材来自原论文。

需要说明的是,真正的变色龙并不会完全随着背景变色。它们改变体色其实主要是作为一种信息交流的方式。

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回复 点赞(1)

审判偷天破苍穹 蓦观残影缈乾坤

Little歌者 发表于 2016-2-15 15:26:11

沙发

http://www.guokr.com/article/441188/——重要的事情说三遍——原版果壳网!原版果壳网!原版果壳网!

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Rebеllion 发表于 2016-2-15 16:04:55

板凳

水滴会变色吗?

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Little歌者 发表于 2016-2-15 19:49:20

地板

Rebеllion 发表于 2016-02-15 16:04:55
水滴会变色吗?

水滴是探测器
来自: 手机APP客户端

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xyzgeek 发表于 2016-7-15 10:33:06

5#

直接放个玻璃......

点评

拓荒者。 回复于 2016-7-17 14:24

666

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落日天风 发表于 2016-7-19 17:40:10

6#

这个我喜欢,高科技

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谁在唱歌 发表于 2016-7-26 23:01:28

7#

三体body好多,B=L技术

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