在自然界中，有些動(dòng)物在受到刺激后可以改變自己的顏色，以躲避敵人和捕食者。這一特性主要是由于動(dòng)物身體表面微/納米結(jié)構(gòu)對(duì)外部刺激響應(yīng)的變化。研究者受這一自然現(xiàn)象的啟發(fā)，目前已開(kāi)發(fā)出多種可根據(jù)外部刺激（例如機(jī)械力，生物力學(xué)致動(dòng)，溫度，化學(xué)成分，電力和磁力）靈活地進(jìn)行顏色變化的材料。這種特有的響應(yīng)性意味著結(jié)構(gòu)著色技術(shù)可能非常適合用于傳感器，機(jī)器人，智能窗戶(hù)和防偽等方面。
到目前為止，大多數(shù)具有結(jié)構(gòu)著色特性的材料在外界刺激下能夠主動(dòng)、靈活地顯示各種顏色。然而，實(shí)現(xiàn)隱-顯轉(zhuǎn)換顏色行為，特別是在透明狀態(tài)和有色狀態(tài)之間的切換，則更具挑戰(zhàn)性和吸引力。
基于此，韓國(guó)蔚山科技大學(xué)Kyungjun Song和Taesung Kim共同報(bào)道了一種由圖案化噴墨打印的剛性SiO2納米顆粒（NP）和柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）組成的復(fù)合器件。由于PDMS和SiO2 NPs的光學(xué)特性相似，該器件在正常狀態(tài)下是完全透明的。但是，由于兩者之間的機(jī)械強(qiáng)度相差很大，在壓縮載荷下，器件表面產(chǎn)生屈曲型失穩(wěn)，產(chǎn)生一維或二維褶皺陣列圖案。然后這些陣列充當(dāng)多維光柵，根據(jù)觀(guān)察角度顯示各種結(jié)構(gòu)上可切換的顏色。
SiO2-NPs/PDMS復(fù)合器件的構(gòu)建
首先，以SiO2 NPs作為墨水，在玻璃基板上進(jìn)行間隔為150 um的圖案化噴墨打印。每一滴墨水蒸發(fā)后會(huì)在玻璃基板上形成一個(gè)咖啡環(huán)狀的納米結(jié)構(gòu)（圖1）。然后將PDMS灌注到這些納米結(jié)構(gòu)中，以封裝圖案化的SiO2 NPs，待固化后將PDMS板剝離。由于PDMS和SiO2 NPs具有非常相似的折射率(即nSiO2 = 1.475, nPDMS = 1.43)，SiO2-NP/PDMS復(fù)合器件外觀(guān)完全透明，即使在白色和藍(lán)色的背景上，印刷圖案也無(wú)法顯現(xiàn)。此外，SiO2-NP/PDMS復(fù)合器件具有高度的柔性，允許外界對(duì)器件施加多種機(jī)械刺激。
復(fù)合器件在不同外部刺激下的結(jié)構(gòu)變色機(jī)制
SiO2-NPs /PDMS復(fù)合器件在正常狀態(tài)下是完全透明的（圖2a），一方面是因?yàn)镾iO2和PDMS的反射指數(shù)值相似。另一方面是因?yàn)樵谡顟B(tài)下咖啡環(huán)周?chē)芷谛缘陌櫦y圖案完全不存在，因此該器件不會(huì)產(chǎn)生光柵結(jié)構(gòu)，也不會(huì)干擾光線(xiàn)。但是當(dāng)器件向內(nèi)彎曲時(shí)就會(huì)出現(xiàn)“UNiST”徽標(biāo)的彩色圖像（圖2b）。這是因?yàn)橄騼?nèi)彎曲引起的壓縮力誘導(dǎo)SiO2-NPs/PDMS層狀復(fù)合表面沿y軸產(chǎn)生周期性的褶皺陣列，該陣列表現(xiàn)為一維衍射光柵，它將白光源分解為不同顏色的光譜（圖2e）。因此，當(dāng)設(shè)備彎曲時(shí)，透明的 SiO2-NPs /PDMS復(fù)合器件顯示出彩虹色，顏色取決于觀(guān)察角度。相反，當(dāng)器件向相反方向(向外)彎曲時(shí)，則不顯示任何顏色（圖2c）。這可能是由于SiO2-NPs/PDMS層狀復(fù)合表面在相反外力刺激下沒(méi)有產(chǎn)生褶皺陣列。作者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在厚而軟的襯底/層表面（PDMS）上的薄而硬的薄膜/層（SiO2-NPs）在壓縮應(yīng)力作用下能夠呈現(xiàn)波紋狀（圖2d），形成具有周期性的皺紋/圖案陣列。
隱-顯變色機(jī)制的應(yīng)用
將向內(nèi)彎曲的SiO2-NPs/PDMS復(fù)合器件旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，彩虹色就會(huì)神奇的消失（圖3a）。這是因?yàn)檠貀軸彎曲時(shí)皺紋為一維結(jié)構(gòu)形式（向內(nèi)）。光柵結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)后將入射光衍射成幾個(gè)不同方向的光束，這與光束間距和光波長(zhǎng)密切相關(guān)。如果觀(guān)察角度位于沒(méi)有光束可以通過(guò)或多個(gè)光束可以通過(guò)的空間/區(qū)域之外，就會(huì)導(dǎo)致觀(guān)察的透明性。該特性使器件僅在特定角度范圍內(nèi)顯示顏色，從而增強(qiáng)了信息的保密性，以滿(mǎn)足特定情況的需要。但是當(dāng)給復(fù)合器件施加各向同性（2D）的壓力時(shí)，旋轉(zhuǎn)90°顏色仍然存在（圖3b），這是因?yàn)樯傻鸟薨檹囊痪S平行結(jié)構(gòu)陣列變?yōu)槎S發(fā)散結(jié)構(gòu)陣列。基于此，作者應(yīng)用該技術(shù)開(kāi)發(fā)出了兩種隱蔽的防偽技術(shù)，在不同方向的壓縮彎曲作用下，可以分別顯示出正反面打印的笑臉圖案（圖3c）；也可以有選擇地將隱藏的、透明的二維碼圖案轉(zhuǎn)化為明顯的二維碼圖案，并通過(guò)普通手機(jī)對(duì)二維碼進(jìn)行解碼，直接進(jìn)入預(yù)定網(wǎng)站（圖3d）。
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