《Nature》子刊:仿昆虫表皮的胆甾型图案设计用于密码学标签!

大自然是最伟大的设计师,为人们设计多功能、高性能的材料提供了启发。因此,仿生设计得到了科学家们的高度重视,很多研究通过对自然界中动植物的模仿取得了很多突破性的成果。目前,模仿昆虫角质层结构的功能材料的仿生设计仍处于起步阶段。科学家们在许多昆虫的的表皮中发现了扭曲的胆甾型液晶图案,但要想实现对它们的精确复制却非常困难,因为不连续的图案和颜色必须在没有结构的不连续的单层中共存,这就需要能控制具有高度多功能性的纳米和微米级图案的设备及工艺。不仅如此,材料的选取也面临挑战,因为活体生物自身仅使用几种化学元素(通常为C、H、O、N、P和S)就构成许多复杂的结构。对其仿生必须考虑到环境因素以及工业批量生产上材料的可回收性。

法国国家科学研究中心的Michel Mitovi等人使用液晶低聚物来模拟生物的胆甾型液晶图案,并试图重现这些生物液晶的质地、结构和颜色特性。该研究基于自组织的单个序列,可以精确控制两种不同的由彩色图案组成的单件样品结构。

两种材料的功能性都与光通讯和传输有关,因此该研究还介绍了该材料在密码学中用于高级光学标签的具体应用。该研究以题为“Biomimetic design of iridescent insect cuticles with tailored, self-organized cholesteric patterns”的论文发表在《Nature Communications》上。

《Nature》子刊:仿昆虫表皮的胆甾型图案设计用于密码学标签!

作者重点研究了甲虫(图1c)的标志性图案,其表皮分别显示绿色和银色带,分别具有选择性和宽广的光反射。绿带在光学显微镜图像中显示出蜂窝状多边形纹理,而银带则显示出无图案的平面纹理(图1d)。对于绿色带,表皮的上部显示弯曲的条纹,这意味着螺旋轴的方向在空间上变化,并且在大多数表皮区域具有平行的条纹。对于银带,条纹在角质层的整个几丁质部分平行,螺旋轴的方向固定。

这样的生物构造能使甲虫几乎360°呈绿色,这可以避免绿叶中的天敌掠食。并且绿色-银色图案非常适合它的栖息地,因为杜松树的叶子是绿色的并且带有白色树脂斑点,为它提供了有效的保护。

总之,仿生设计需同时解决颜色和结构特性。仿生材料必须为单层,显示出扭曲结构在所有方向上的连续性,反射颜色的范围需从绿色到近红外。

《Nature》子刊:仿昆虫表皮的胆甾型图案设计用于密码学标签!

作者选用具有硅氧烷骨架的可玻璃化胆甾醇低聚物。在低于玻璃化转变温度的情况下将样品从粘性胆甾相快速冷却至室温,可防止结晶并保留胆甾醇的结构和颜色。仿生设计涉及五个阶段(图2b)。

  • 第1阶段:在室温下组装由胆甾型薄膜制成的样品,该薄膜涂覆在彼此的玻璃基板上,分别反射绿色和红外光。
  • 第2阶段:将夹层样品在120°C的温度下加热30秒,以将薄膜粘合在一起。
  • 阶段3:在室温下淬灭样品后,除去上层基板。
  • 阶段4:水溶液中各向同性聚合物聚乙烯醇的间隔带沉积在双层膜的自由表面上。
  • 阶段5:将水溶液干燥后,将双层膜在胆甾相中于120°C加热1h。
  • 最后,将薄膜在室温下淬火,结构和光学特性在固态玻璃膜中得以保持。

作者在薄膜的自由表面上绘制间隔开的带,从而获得绿色和银色的交替带。或者可以将带状胶带固定在薄膜表面,然后将溶液旋涂。

在溶液完全干燥之前,将胶带除去。因此可以绘制除带以外的许多图案,这为设计反射图案提供了广泛的选择。

《Nature》子刊:仿昆虫表皮的胆甾型图案设计用于密码学标签!

昆虫和人类在能量调节和光通信方面有着共同的关注点。仿生样品的制造激发了作者在密码学和加密领域设计标签方法的灵感。图形和频谱编码的标签因其高编码能力和广泛的适用性而成为携带标签产品信息的可靠工具。

将具有物理不可克隆功能的防伪标签集成到对象中是对其进行身份验证的有效解决方案,这就需要产生不可克隆的图案。作者通过对昆虫角质层的仿生,提供了两种尺度的与图案相关的物理方法和要实施的技术解决方案(图4a,b):从毫米到微米,以不同的比例编码和隐藏具有不同颜色的标记。

由于细胞的相对位置、大小和光学图案是唯一的,因此所得到的标签是不可克隆且不可预测的,满足了防伪标签的要求。

《Nature》子刊:仿昆虫表皮的胆甾型图案设计用于密码学标签!

总结:作者通过使用胆甾型液晶低聚物,设计了一种模仿甲虫条纹表皮的单层材料,并且再现了其质地、结构和颜色特性。两种材料的功能都与光通信和伪装主题有关,可应用于加密领域设计的光学标签。该研究的设计策略本着生态设计的原则对资源实现了最佳利用,同时实现了当前制造技术无法达到的多功能复杂图案的设计。

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17884-0

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