變色龍通過改變皮膚的顏色，能隱藏在環境中躲避天敵，而當需要守衛領地或吸引配偶時，它們也能從背景中突顯出來。利用皮膚中的光子晶體，變色龍很容易就能完成這種改變。然而，科學家耗費大量的努力才發現了一種可以根據環境變色的光子晶體“智能皮膚”，在這一過程中，皮膚尺寸也不會發生改變。
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在發表於ACS nano雜誌的研究中，美國埃默裡大學的化學家介紹了他們發明的一種隨熱量和太陽光變色的柔性智能皮膚。文章第一作者Yixiao Dong是美國艾莫利大學化學院的博士候選人，他介紹說，“在觀察變色龍的變色過程時，我們想到這一突破性的想法”。Khalid Salaita是艾莫利大學的教授，也是本文的通訊作者。“很長一段時間，光子晶體領域的科學家都在嘗試發明可應用於偽裝，化學傳感和防偽等多個領域的變色智能皮膚，”他補充道，“儘管我們的工作還是處於基礎階段，但是我們已經建立一種全新的方法，能用於後續的研究和開發。”
除了變色龍，許多其他生物也有變色能力。例如，在太陽下，霓虹燈魚身上的條紋會從深靛藍變成藍綠色。這些生物的顏色並非由色素產生，而是由按規則重複性排列的光子晶體產生的。呈週期性排列的光子晶體能過濾一定波長的光。儘管這種光子晶體本身沒有顏色，但是晶體之間精確的間隙只允許一部分光通過，其餘的光被阻擋在外。顏色的變化取決於光照條件，以及這些粒子間的距離。自然界中，蝴蝶翅膀的斑斕顏色和孔雀的羽毛顏色也是由光子晶體產生的。
Dong解釋道，如果你把草莓放在榨汁機，出來的草莓汁是紅色的，因為草莓的顏色是由色素產生的。然而，如果你磨碎色彩斑斕的蝴蝶翅膀時，看到的卻是一些暗淡的粉末。這是因為蝴蝶翅膀的顏色並不是色素顏色，而是“結構顏色”。蝴蝶翅膀被磨碎時，它的晶體陣列結構也就被破壞了。
為了模擬變色龍和發明一種人工智能皮膚，科學家們嘗試將光子晶體陣列嵌入到柔性、含水聚合物或水凝膠中。當水凝膠的膨脹或收縮，能改變陣列之間的間距，進而導致顏色變化。問題是，實現的顏色變化，需要水凝的膠尺寸發生明顯的變化，這樣會導致材料彎曲和結構不穩定。Salaita說道：“沒有人想要一件變色時會收縮的偽裝斗篷。”
受到變色龍的啟發，智能皮膚材料受到熱刺激和太陽光照射後，會有顏色變化。
當Dong一邊變色龍的視頻時，他一邊在思考著一個問題，“我想知道為什麼變色龍在變色時皮膚尺寸不會變化。”在變色龍變色的特寫鏡頭中，Dong注意到變色龍的變色區域並沒有覆蓋整個皮膚，而是分散在一個黑色矩陣上。當光子晶體產生不同的顏色時，這些色塊之間的距離會保持不變。Dong推測，構成黑色矩陣的皮膚細胞以某種方式進行了調整，以補償光子晶體的位移。Dong說：“我想知道我們是否能設計出類似的複合結構：將光子晶體陣列嵌入到一個自動調節的矩陣。”
研究人員使用磁鐵將含有氧化鐵的光子晶體排列在水凝膠中。然後，他們將這些陣列嵌入第二個沒有光子晶體的水凝膠中。第二種彈性水凝膠能與第一種水凝膠進行機械匹配，以補償光子晶體之間的移動距離。當加熱時，這種智能皮膚(SASS)會改變顏色，但會維持幾乎恆定的大小。Dong將SASS薄膜製成了霓虹燈魚和樹葉的形狀，並在陽光下測試了這種材料。當SASS薄膜在自然陽光下暴露10分鐘後，會從橙色變成綠色，但整體的大小不變。
Dong表示，“我們為未來的人工智能皮膚設計提供了一個總體框架。雖然，這距離應用於現實生活中，還有很長的距離，但令人興奮的是，我們在這一領域又前進了一步。”
來源｜環球科學 撰文／埃默裡大學 翻譯／李亞楠 審校／郝豪
