結構色是自然界中最奇異的現象之一，它是由光對納米結構的干涉而產生的，在動植物中經常出現。與色素不同，結構色具有環(huán)保、不褪色的顯著特點，一些生物甚至能夠快速可逆地改變顏色，用于偽裝、交配和群體防御。其中，變色龍是最重要的代表之一。通過拉緊或放松皮膚，變色龍可以改變光從鳥嘌呤晶體表面反射的方式，產生所謂的結構色?？茖W家們已經在各種變色材料中模仿變色龍皮膚的晶體納米結構，但它們通常很難生產，或者依賴于不可再生的石油資源。相比之下，纖維素納米晶（CNC）是一種可再生材料，可以自組裝成具有結構色的薄膜。然而，這些薄膜通常是脆弱的，不像變色龍皮膚，不能拉伸而不破裂。
最近，四川大學王玉忠院士和宋飛教授在《ACS Applied Materials & Interfaces》上發(fā)表了題為“Chameleon-Inspired Variable Coloration Enabled by a Highly Flexible Photonic Cellulose Film”的文章，他們受變色龍的啟發(fā)，在CNC中引入了柔性網絡結構，所得薄膜具有較高的柔韌性，斷裂應變高達39%。首次在CNC材料上實現拉伸引起的結構色變化。此外，薄膜的結構色可以對濕度和壓縮響應。通過控制環(huán)境濕度，可以顯示或隱藏無墨書寫留下的彩色痕跡。這種生物基光子薄膜作為一種新型的“智能皮膚”，具有顯色傳感、加密、防偽等多種功能。
圖文導讀
CNC能夠自組裝成膽甾型液晶結構（圖1），光與該結構作用可以產生結構色。受變色龍的彈性皮膚啟發(fā)，作者在CNC材料中引入了聚合物網絡，該網絡由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）單體光固化得到。CNC/PEGDA薄膜的結構色隨著PEDGA含量的增加而紅移（圖2），這是因為聚合物含量的增加使得CNC的螺距增加，反射峰紅移。因此可以得到從藍色到紅色的結構色。另外，引入PEGDA網絡有利于提高薄膜的力學性能。添加了與CNC質量比為1:1的PEGDA和15分鐘的紫外光照射后，斷裂伸長率達到39%。
圖1 （a）變色龍結構色變化機理和（b）CNC/PEGDA薄膜的結構設計與制備
圖2 CNC和CNC/PEGDA薄膜的微觀結構、光學和機械性能。
得益于CNC/PEGDA薄膜的柔韌性，它具有機械變色的特性。這是由于在拉伸過程中CNC的螺距減少，薄膜的顏色應發(fā)生藍移。然而，顏色變化不明顯或不均勻，這可能是由于組裝后的CNC移動性差。而且形狀恢復不完整，這可能是由于拉伸過程中形成了膠狀微粒，阻礙了恢復。另外，當在薄膜上施加0–15 MPa的壓力時，結構色從紅色到綠色變化。
圖3 力學性能和拉伸誘導的變色。
薄膜可用作光子紙，通過無墨水書寫處理，可以在紙張上留下彩虹色的痕跡。因為CNC和PEGDA網絡具有很高的親水性，薄膜和標記會隨著環(huán)境濕度發(fā)生顏色變化，即濕度響應。當相對濕度增加到100%時，由于水分子進入CNC的自組裝結構，螺距增加，薄膜顯示紅色，在這種情況下，標記是“隱藏”的。當將相對濕度降低到56%和16%時會導致標記的出現，這歸因于水分去除導致的螺距降低。因此可以用于信息加密。
圖5 壓縮致變色。
圖6 濕度響應變色，可作為光子紙用于無墨水書寫和信息加密。
亮點小結
綜上所述，受變色龍彈性皮膚的啟發(fā)，作者提出構建PEG的網絡橋來連接CNC，制備自支撐且高度柔性的結構色薄膜。PEG鏈的高柔韌性使CNC基薄膜具有高變形行為，斷裂應變高達39%。首次實現CNC基薄膜在拉伸時呈現可逆的結構色變化。此外，薄膜具有水和壓縮響應特性，通過在受控環(huán)境條件下改變顏色，實現加密和防偽。
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