新加坡科技设计大学Nano Letter：​基于局部应变的像素点结构色调控新方法

结构颜色材料通过微观纳米/微米结构对入射光进行精细调控，人们一直对结构颜色的动态调控进行积极研究，特别是通过机械变形来实现颜色的动态控制，也被称为机械致色效应，对于医疗保健和机器人技术等新兴研究领域中的应变/压力传感器、伪装和信息存储具有巨大的潜力。目前，有两种方法用于生成机械致色像素：（1）改变初始状态下结构颜色的设计参数，或者（2）与具有单独像素控制的机械系统集成。目前，在微观尺度上，对施加应变呈现不同响应的机械致色像素仍然具有挑战性。

近日，由新加坡科技与设计大学、北卡罗来纳州立大学、新加坡科技局的研究人员，在其合作发表于Nano Letter上的文章中，创新性地提出了一种通过创建局部非均匀应变/力场来设计微观可切换色彩像素的方法。以单根线结构为例，从2.5D结构转印到弹性体中产生的沟槽在未拉伸状态下由于干涉和散射效应呈现均匀的结构颜色。这种可编程的地形变化导致了颜色的变化，其源于层间应变不匹配和沟槽宽度的变化。作者们利用这种效应将莫尔斯码定义在一系列线上，实现了文本字符串的加密。这种设计原理对基于动态结构和表面形貌变化的多样光学设备具有巨大潜力。

以常用的PDMS弹性体为例，作者们通过引入薄而坚硬的外壳和变化宽度的沟槽结构来创建像素点（图1）。在初始状态下，像素和光子线表现出构造性干涉并且外观相同。然而，当PDMS沟槽受到单轴拉伸时，像素在x轴方向上发生延伸，在y轴和z轴方向上发生收缩。这导致宽度和深度的变化，产生不同的构造性干涉，从而使像素和沟槽呈现不同的颜色。因此，只有当PDMS沟槽受到拉伸时，才会形成应变响应型彩色像素。通过有限元方法，分析了拉伸过程中的截面应变分布，显示出随着应变增加从矩形到梯形截面的转变，更重要的是，作者们发现在相同沟槽宽度对拉伸后的深度变化有显著的调控作用。通过结合双光子3D打印和微纳压印技术制备了一系列不同结构尺寸的样品，并证实了上述结构在拉伸过程中的变化。通过检查颜色变化和透射光谱，分析了应变对沟槽光学特性的影响。以二元相位光栅的沟槽结构的简化模型解释了基于相位差的相长干涉的发生。通过散射模式和近场电场模拟证明了由于沟槽的拉伸引起的变形，光强的重新分布和散射模式的变化。作者们进一步讲该变色原理运用于信息加密中（图2），基于国际莫斯密码编码，可实现同时将3套信息编码于一个力至变色结构中。

上述工作以“Engineering Dynamic Structural Color Pixels at Microscales by Inhomogeneous Strain-Induced Localized Topographic Change”为题发表于Nano Letter。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.3c00808

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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