目前存在用于形成机械响应软光子材料的各种实验室规模的技术。已经使用多种方法形成了柔软的乳白色结构的可弹性变形片材和纤维。尽管此类材料已在宏观尺度上生产，但基础技术并未提供对材料光学特性的空间控制，并且在尺度上存在均匀性问题。依赖于正蛋白石和反蛋白石的形成的相关方法已经产生了一些潜在的可行策略；然而，它们的特性通常不适用于大的机械变形。基于纤维素的光子层压板可以使用Roll-to-Roll工艺大规模生产，尽管它们需要水的存在；它们确实对压缩应力表现出令人印象深刻的响应，但对于拉伸变形并不理想，它们的响应时间受到限制，并且难以实现对反射光谱和散射行为的空间控制。

磁场诱导的磁性纳米粒子在聚合物基质中的自组装可以通过多种材料组成来完成，从而产生具有可调机械性能的结构，尽管存在与制造复杂性、可实现光子范围有限等相关的问题结构和光学性能的权衡。嵌段共聚物自组装是另一种技术，但它存在材料成本高、可扩展性有限以及材料成分和物理性能受限等问题。

液晶弹性体直到最近才成为一种很有前途的材料平台，可用于色彩动态材料和像素化伪装，尽管它们仍需要证明大规模制造和进一步优化光学性能。还展示了直接组装方法，例如顺序旋涂和多层轧制或使用定制光聚合物的激光干涉光刻。尽管这些方法对光子架构提供了不同级别的控制，但它们受到制造复杂性、可扩展性、色彩动态或设备成本方面的限制。本质上，所有现有技术要么非常擅长在微观尺度上控制结构，但面临缩放问题，要么是可扩展的，但不能对材料结构提供精确控制。尽管有几种潜在的高影响应用，但同时提供这两种方法的方法仍然难以捉摸。

成果简介

鉴于此，麻省理工学院Mathias Kolle等人展示了一种可扩展的方法，用于使用标准光投射设备在市售的光响应弹性体片中以微尺度横向分辨率进行光子纳米结构的宏观光学制造。该方法可以对材料的光学和机械性能进行精细的空间控制，并仅基于结构颜色、近红外图案生成以及镜面反射或漫反射之间的选择来访问完整的可见光谱。

诺奖技术

该研究利用诺贝尔奖获得者 Gabriel Lippmann（因发明基于干涉现象的彩色照相术，获得了1908年度诺贝尔物理学奖）开创性的彩色摄影技术，开启了丰富且易于控制的材料设计空间，这是以前使用任何竞争技术都无法实现的。在李普曼摄影中，通过将视觉场景放置在反射面上，将视觉场景刻录到摄影胶片中，从而产生一种驻留光波图案，该图案被记录为周期性的折射率变化。然后，这些折射率变化充当分布式布拉格反射器，将光谱的特定部分反射为结构周期性的函数，该周期性由视觉场景不同区域的光波长来确定。

技术通讲

研究人员采用 Lippmann 的技术，将一块市售的弹性光敏聚合物放在反射表面上，并将其暴露在使用标准投影仪创建的图像中。通俗地讲，该团队将弹性、透明的全息薄膜粘附在一个反射的、类似镜子的表面上（在这种情况下，是一张铝片）。然后，研究人员在离胶片几英尺的地方放置了一台现成的投影仪，并将图像投影到每个样品上，包括李普曼式的花束。这些胶片在几分钟内而不是几天内产生了大而详细的图像，生动地再现了原始图像中的颜色。

然后，他们将薄膜从镜子上剥离下来，并将其贴在黑色弹性硅胶背衬上作为支撑。他们拉伸薄膜并观察颜色变化——这是材料结构颜色的结果：当材料拉伸并变薄时，其纳米级结构会重新配置以反射略微不同的波长，例如从红色变为蓝色。这薄膜的颜色对应变高度敏感。在制作出完全红色的薄膜后，研究人员将其粘附在不同厚度的硅胶背衬上。在背衬最薄的地方，薄膜仍然是红色的，而较厚的部分会使薄膜拉紧，使其变成蓝色。同样，他们发现将各种物体压入红色薄膜样品中会留下详细的绿色印记，如草莓的种子和指纹。

图|宏观尺度上可拉伸变色材料的光学制造

隐藏图像！

有趣的是，他们还可以投影隐藏的图像，方法是在创建彩色镜子时将胶片相对于入射光倾斜一个角度。这种倾斜基本上导致材料的纳米结构反射红移光谱。例如，在材料曝光和开发过程中使用的绿光会导致红光被反射，而红光曝光会产生反射红外线的结构（一种人类不可见的波长）。当材料被拉伸时，这个原本不可见的图像会改变颜色以显示为红色。

图|近红外结构颜色和定制的散射特性

该技术支持的设计空间具有多个易于控制的参数，这些参数决定了最终颜色动态可拉伸材料的光学和机械性能。

1）首先，投影图像的空间颜色分布局部地定义了弹性光聚合物中产生的折射率变化的周期，进而确定了片材上每个点的反射结构颜色。至关重要的是，弹性光聚合物的可变形性能够响应机械刺激，由应变引起的光子结构周期性变化引起的可预测、可重复和可逆的颜色变化。

2）该技术的第二个关键参数是硅胶背衬层的形貌，它决定了由外部施加的张力引起的局部应变。较薄的区域经历更大的应变，因此颜色变化更明显。

3）第三，通过改变来自投影仪的光的入射角，可以调整折射率变化的周期。

4）最后，反射面的纹理是另一个设计参数。光滑的镜子产生布拉格结构，呈现出镜面结构颜色。为了生成具有漫反射结构颜色的材料，这种材料可以在更广泛的视角范围内观察到，同时减少对照明条件的依赖，研究人员使用纹理反射器。使用拉丝铝板或不锈钢板，我们将反射器的角散射特性转移到结构有色材料上。对于动态光子材料，这种对散射特性的控制水平是该方法所独有的。

小结与应用展望

综上所述，通过采用李普曼摄影并将其与市售弹性光聚合物的最新进展相结合，研究人员开发了一种制造可扩展、灵活且易于使用的变色软光子材料的方法。所得材料坚固、反应灵敏且价格合理，并且可以设计成具有广泛的光学和机械性能，在施加的应变和应力与颜色变化之间表现出可预测和直接的关系。

在应用方面，通过颜色变化提供有关机械力的信息，无需复杂的电子或机械传感器，可以通过肉眼观察。弹性绷带中的比色指标可以量化施加在患者身上的压力或压力梯度，这是确定许多医疗状况（包括静脉溃疡、压力性溃疡、淋巴水肿和疤痕）最佳治疗的关键因素。具有可变颜色图像的膏药（粘性绷带）有助于提高儿科患者的依从性和满意度。服装和运动装将为富有弹性的色彩提供丰富的画布。

图|比色机械传感

参考文献：

Miller, B.H., Liu, H. & Kolle, M. Scalable optical manufacture of dynamic structural colour in stretchable materials. Nat. Mater. (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01318-x