大自然是最偉大的設計師，為人們設計多功能、高性能的材料提供了啟發(fā)。因此，仿生設計得到了科學家們的高度重視，很多研究通過對自然界中動植物的模仿取得了很多突破性的成果。目前，模仿昆蟲角質層結構的功能材料的仿生設計仍處于起步階段。科學家們在許多昆蟲的的表皮中發(fā)現(xiàn)了扭曲的膽甾型液晶圖案，但要想實現(xiàn)對它們的精確復制卻非常困難，因為不連續(xù)的圖案和顏色必須在沒有結構的不連續(xù)的單層中共存，這就需要能控制具有高度多功能性的納米和微米級圖案的設備及工藝。不僅如此，材料的選取也面臨挑戰(zhàn)，因為活體生物自身僅使用幾種化學元素（通常為C、H、O、N、P和S）就構成許多復雜的結構。對其仿生必須考慮到環(huán)境因素以及工業(yè)批量生產上材料的可回收性。
法國國家科學研究中心的Michel?Mitovi等人使用液晶低聚物來模擬生物的膽甾型液晶圖案，并試圖重現(xiàn)這些生物液晶的質地、結構和顏色特性。該研究基于自組織的單個序列，可以精確控制兩種不同的由彩色圖案組成的單件樣品結構。
兩種材料的功能性都與光通訊和傳輸有關，因此該研究還介紹了該材料在密碼學中用于高級光學標簽的具體應用。該研究以題為“Biomimetic design of iridescent insect cuticles with tailored, self-organized cholesteric patterns”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
作者重點研究了甲蟲（圖1c）的標志性圖案，其表皮分別顯示綠色和銀色帶，分別具有選擇性和寬廣的光反射。綠帶在光學顯微鏡圖像中顯示出蜂窩狀多邊形紋理，而銀帶則顯示出無圖案的平面紋理（圖1d）。對于綠色帶，表皮的上部顯示彎曲的條紋，這意味著螺旋軸的方向在空間上變化，并且在大多數(shù)表皮區(qū)域具有平行的條紋。對于銀帶，條紋在角質層的整個幾丁質部分平行，螺旋軸的方向固定。
這樣的生物構造能使甲蟲幾乎360°呈綠色，這可以避免綠葉中的天敵掠食。并且綠色-銀色圖案非常適合它的棲息地，因為杜松樹的葉子是綠色的并且?guī)в邪咨珮渲唿c，為它提供了有效的保護。
總之，仿生設計需同時解決顏色和結構特性。仿生材料必須為單層，顯示出扭曲結構在所有方向上的連續(xù)性，反射顏色的范圍需從綠色到近紅外。
作者選用具有硅氧烷骨架的可玻璃化膽甾醇低聚物。在低于玻璃化轉變溫度的情況下將樣品從粘性膽甾相快速冷卻至室溫，可防止結晶并保留膽甾醇的結構和顏色。仿生設計涉及五個階段（圖2b）。
- 第1階段：在室溫下組裝由膽甾型薄膜制成的樣品，該薄膜涂覆在彼此的玻璃基板上，分別反射綠色和紅外光。
- 第2階段：將夾層樣品在120°C的溫度下加熱30秒，以將薄膜粘合在一起。
- 階段3：在室溫下淬滅樣品后，除去上層基板。
- 階段4：水溶液中各向同性聚合物聚乙烯醇的間隔帶沉積在雙層膜的自由表面上。
- 階段5：將水溶液干燥后，將雙層膜在膽甾相中于120°C加熱1h。
- 最后，將薄膜在室溫下淬火，結構和光學特性在固態(tài)玻璃膜中得以保持。
作者在薄膜的自由表面上繪制間隔開的帶，從而獲得綠色和銀色的交替帶?；蛘呖梢詫钅z帶固定在薄膜表面，然后將溶液旋涂。
在溶液完全干燥之前，將膠帶除去。因此可以繪制除帶以外的許多圖案，這為設計反射圖案提供了廣泛的選擇。
昆蟲和人類在能量調節(jié)和光通信方面有著共同的關注點。仿生樣品的制造激發(fā)了作者在密碼學和加密領域設計標簽方法的靈感。圖形和頻譜編碼的標簽因其高編碼能力和廣泛的適用性而成為攜帶標簽產品信息的可靠工具。
將具有物理不可克隆功能的防偽標簽集成到對象中是對其進行身份驗證的有效解決方案，這就需要產生不可克隆的圖案。作者通過對昆蟲角質層的仿生，提供了兩種尺度的與圖案相關的物理方法和要實施的技術解決方案（圖4a，b）：從毫米到微米，以不同的比例編碼和隱藏具有不同顏色的標記。
由于細胞的相對位置、大小和光學圖案是唯一的，因此所得到的標簽是不可克隆且不可預測的，滿足了防偽標簽的要求。
總結：作者通過使用膽甾型液晶低聚物，設計了一種模仿甲蟲條紋表皮的單層材料，并且再現(xiàn)了其質地、結構和顏色特性。兩種材料的功能都與光通信和偽裝主題有關，可應用于加密領域設計的光學標簽。該研究的設計策略本著生態(tài)設計的原則對資源實現(xiàn)了最佳利用，同時實現(xiàn)了當前制造技術無法達到的多功能復雜圖案的設計。
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https://www.nature.com/articles/s41467-020-17884-0
