科學(xué)家利用變色龍研發(fā)出新型變色“智能”皮膚_地理科普

科學(xué)家利用變色龍研發(fā)出新型變色“智能”皮膚: 查字典地理網(wǎng) 來源|2019-09-17 發(fā)表|教學(xué)分類：地理科普

變色龍可以根據(jù)周圍環(huán)境改變皮膚顏色。一種新的“智能”皮膚可以根據(jù)光線改變顏色，其設(shè)計原理與變色龍組織的變色原理相同。

　　變色龍變色看起來很容易。轉(zhuǎn)瞬之間，這些蜥蜴就能改變皮膚的顏色來恐嚇捕食者，偽裝自己，或者尋找伴侶。在實驗室里，科學(xué)家們花了幾十年的時間試圖解開變色龍變色的秘密。經(jīng)過多年的研究，如今科學(xué)家們研發(fā)出一種新的智能皮膚，當(dāng)暴露在陽光下時，這種智能皮膚的顏色會發(fā)生變化。

“這是大自然一直在做的事情，我們可以利用直射陽光來觸發(fā)顏色改變，”艾莫利大學(xué)的生物工程師、近日發(fā)表于《美國化學(xué)會·納米》的新論文的高級作者Khalid Salaita說。

這種材料可用于制造各種各樣的東西，從迷彩服、涂料再到化學(xué)和環(huán)境傳感器，不一而足。

東北大學(xué)的生物化學(xué)學(xué)者Leila Deravi沒有參與這項研究，他認(rèn)為這種新型的智能皮膚已經(jīng)克服了“工程師們面臨的一個主要問題”，即在不改變聚合物體積的情況下引發(fā)顏色改變。

模擬變色龍

早在哈利·波特穿上隱形衣之前，各種動物就出于許多不同的原因改變自身的顏色。對于這種能力，爬行動物、霓虹燈魚、蝴蝶以及章魚和烏賊等頭足類動物都獨立進(jìn)化了好幾次。

這些動物的皮膚細(xì)胞含有大量聚集在一起的微小晶體，又被稱為光子晶體。與具有固定色彩的色素不同的是，這些晶體可根據(jù)其大小、化學(xué)成分和排列方式反射和散射光線，進(jìn)而創(chuàng)造出不同的顏色。

在《自然通訊》2015年的一篇論文中，研究者發(fā)現(xiàn)變色龍的皮膚細(xì)胞中含有鳥嘌呤晶體，其間散布著“規(guī)則的”皮膚細(xì)胞。為了改變顏色，蜥蜴可以壓縮或彎曲其含有晶體的細(xì)胞，進(jìn)而使不同波長的光反射。與此同時，正常的皮膚細(xì)胞可以膨脹或收縮來填補任何縫隙。

為了在實驗室中研發(fā)變色智能皮膚，科學(xué)家們通常將光子晶體嵌入凝膠狀聚合物中。這項新研究的第一作者、Salaita實驗室的博士生Yixiao Dong建議創(chuàng)造一種兩層水凝膠來調(diào)整這個配方，就像變色龍的皮膚一樣。

“聽起來像是一個完美的解決方案，”Salaita說。

在陽光下變色

研究團(tuán)隊創(chuàng)造了一個小而薄的柔性結(jié)構(gòu)，就像硅膠手鐲一樣，包含一層嵌入氧化鐵和二氧化硅的光子晶體。在化學(xué)水平上，“就像是一個帶沙殼的鐵銹核，”Salaita說。另一層則含有無色聚合物。

接下來，他們將新研發(fā)的皮膚暴露在陽光和激光下。之前的智能皮膚通常使用高壓電流觸發(fā)，新方法顯然不同。

在一項實驗中，Dong將一張黃色皮膚制作成葉子形狀。在曝露于陽光下五分鐘后，這片葉子變成了綠色，與他從實驗室外的一棵樹上剪下的一些葉子融為一體，顯示出這種智能皮膚的偽裝潛力。他使用一個魚形聚合物進(jìn)行了類似的顏色改變嘗試。Dong和Salaita隨后用激光完成了更快速的顏色改變。

Deravi說：“這是一個使用光線改變顏色的聰明方法?！彼Q這項工作是良好的開端，同時還表示智能皮膚投入商業(yè)使用還需要很長時間。

最大的挑戰(zhàn)之一是如何把智能皮膚做的足夠大，進(jìn)而用于服裝、儀表板和其他人類用途。Salaita還指出，動物對自身的顏色變化有更好的控制能力，能比人類制造的材料產(chǎn)生更劇烈的變化。

新研發(fā)的智能皮膚還不能隨著周圍環(huán)境的變化而改變顏色。頭足類動物和變色龍可能是通過感知皮膚中的光線來做到這一點的，這需要大量的鏡子和復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來完成，Deravi補充道。

“對于學(xué)術(shù)實驗室來說，將研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實世界的應(yīng)用是一場持續(xù)不斷的斗爭，”她說道，但她相信這是值得的。

畢竟，進(jìn)化已經(jīng)花了數(shù)百萬年的時間來完善這些變色系統(tǒng)，所以對科學(xué)家來說，試圖借用一些原理是有意義的?！斑@些聚合物可以制造成任何你想要的東西，”Salaita說。

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