许多生物进化出了改变颜色的能力，比如变色龙等，快速改变颜色的能力有利于伪装、交配和恐吓捕食者。这些生物的着色被描述为“结构性的”，因为它是由周期性的纳米和微观结构，即所谓的光子晶体(PCs)所产生的。与使用染料和颜料的常见着色策略不同，结构着色依赖于波长特定的光吸收，不受光漂白的影响，而且相对于合成策略，可以通过控制粒子间距轻松操作。根据布拉格衍射定律，晶体间的周期距离决定了材料的颜色。刺激响应变色水凝胶，通常使用嵌入光子晶体(PCs)着色，具有从化学传感到伪装和防伪等潜在应用。这些PCs水凝胶的一个主要限制是，它们需要显著的变形(20%)来改变PC晶格常数并产生一个可观察到的色差(nm)。
受到大自然启发，通过分析变色龙皮肤变色的机制，美国埃默里大学一研究团队开发了一种适应应变的智能皮肤(SASS)，它在变色过程中保持了近乎恒定的大小SASS由两种类型的水凝胶组成:一种是刺激响应的、含有PCs的水凝胶，该水凝胶在第二种水凝胶中形成，具有强大的机械性能，并允许应变调节。与传统的“手风琴式”PC型响应水凝胶不同，SASS在色移过程中保持了近乎恒定的体积。重要的是，SASS材料是可拉伸的(应变约为%)，能够形成图案，光谱可调，并且对热量和自然光都有响应。该团队展示了使用SASS进行生物模拟的例子。他们的策略是在机械匹配的支架聚合物中嵌入响应性材料，这为未来的人工智能皮肤设计提供了一个总体框架。
设想成为从伪装、通信到防伪和生物传感等诸多领域的重要应用。调节合成PCs颜色的基本机制与自然系统相同，需要使用“折叠式”机制调节PC晶格的周期性。这一策略通常是通过将PC嵌入到水凝胶或柔性聚合物基质中来实现的，该基质通过膨胀或收缩来响应输入，从而导致PC周期的变化。这种制造人工智能皮肤的手风琴策略的主要问题是体积变化大，导致材料的结构不稳定和屈曲。这种程度的应变和变形阻碍了它们的应用。然而，这让该团队思考变色动物(如变色龙)是如何解决这个问题的(图1a)。他们注意到，只有一小部分皮肤细胞含有鸟嘌呤PCs阵列，而其余的皮肤细胞是无色的。换句话说，变色龙的皮肤组织包括无反应的细胞，这些细胞可能有助于减少色觉反应过程中的整体体积变化。如图1b所示，突显了经过广泛研究的人工响应型PC与自然响应型PCs之间的对比。自然响应型PCs采用可调PCs元素，嵌入在没有PCs且能适应应变的矩阵中。这种结构上的差异，在自然反应的PCs中表现出来，导致材料总体体积变化的显著减少，同时保持可见的动态着色。
图1-.应变适应智能皮肤(SASS)材料的设计和制备
由此，他们展示了一个应变响应的智能皮肤(SASS)。由于PCs收缩是由支撑聚合物层的局部弹性变形所调节的，因此整个体积的氧自由基结构得以保持。SASS材料具有良好的力学性能，主要依赖于支撑层，具有良好的拉伸性能和机械强度。SASS演示了一个通用的概念，创建响应的PCs机制，保持恒定的尺寸在彩色移动。此外，他们证明了 SASS颜色变化可以通过光学触发，并且SASS薄膜在暴露于环境阳光下(t=10分钟)会迅速改变颜色 。这些特征表明SASS在伪装和防伪等领域具有潜在的应用价值。
图2-SASS的表征。
根据计算模拟的结果，他们制作了如图1f所示的SASS。响应性PC层由单分散Fe3O4
SiO2颗粒(直径nm)组成，并且通过外部磁场周期性地组织起来，并通过光交联将其固化在聚(n-异丙基丙烯酰胺)(pNIPAM)聚合物内。作为概念验证，他们使用掺杂纳米黏土的四臂聚乙二醇(PEG)来制备高强水凝胶作为支撑层。即当施加磁场时，通过交联水凝胶锁定纳米颗粒，形成周期性阵列。随后，使用模具制作相应的方形组织凝胶阵列(4×4mmsquares，间距0.5mm)。最后，将四聚乙二醇支撑层前驱体在室温下固化到响应型PC阵列上。采用5×5响应式PC阵列显示其色彩和弹性。响应性PC层的横断面扫描电子显微镜(SEM)成像证实了磁性纳米颗粒(MNPs)形成的周期性链结构(图1g)。图3-SASS的光响应行为。
图4-显微镜下原位观察光诱导的SASS反应。
图5-.SASS材料潜在的光激发应用
综上所述，该团队提出了一种基于变色龙皮肤结构的智能皮肤材料的替代方法。SASS设计解决了传统响应式PC水凝胶长期存在的机械屈曲和失稳问题。SASS的关键元素是一种双组分聚合物材料，其中分段反应的PC水凝胶嵌入在支撑聚合物中，以适应体积转变产生的应变。通过优化交联剂的浓度和磁场强度，本文证明了在SASS中存在一个强的、可逆的热/光触发光学响应。高分辨率光学显微技术证实了SASS膜的光触发局部消光和色响应。此外，SASS的色度响应可以用聚焦激光束在空间和时间上进行控制。同时也证明SASS对自然光很敏感，可以被塑造成各种几何形状，以帮助生物模拟。这表明了在伪装、信号和防伪方面的潜在应用。
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