结构色是自然界中最奇异的现象之一，它是由光对纳米结构的干涉而产生的，在动植物中经常出现。与色素不同，结构色具有环保、不褪色的显著特点，一些生物甚至能够快速可逆地改变颜色，用于伪装、交配和群体防御。其中，变色龙是最重要的代表之一。通过拉紧或放松皮肤，变色龙可以改变光从鸟嘌呤晶体表面反射的方式，产生所谓的结构色。科学家们已经在各种变色材料中模仿变色龙皮肤的晶体纳米结构，但它们通常很难生产，或者依赖于不可再生的石油资源。相比之下，纤维素纳米晶（CNC）是一种可再生材料，可以自组装成具有结构色的薄膜。然而，这些薄膜通常是脆弱的，不像变色龙皮肤，不能拉伸而不破裂。
最近，四川大学王玉忠院士和宋飞教授在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Chameleon-Inspired Variable Coloration Enabled by a Highly Flexible Photonic Cellulose Film”的文章，他们受变色龙的启发，在CNC中引入了柔性网络结构，所得薄膜具有较高的柔韧性，断裂应变高达39%。首次在CNC材料上实现拉伸引起的结构色变化。此外，薄膜的结构色可以对湿度和压缩响应。通过控制环境湿度，可以显示或隐藏无墨书写留下的彩色痕迹。这种生物基光子薄膜作为一种新型的“智能皮肤”，具有显色传感、加密、防伪等多种功能。
图文导读
CNC能够自组装成胆甾型液晶结构（图1），光与该结构作用可以产生结构色。受变色龙的弹性皮肤启发，作者在CNC材料中引入了聚合物网络，该网络由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）单体光固化得到。CNC/PEGDA薄膜的结构色随着PEDGA含量的增加而红移（图2），这是因为聚合物含量的增加使得CNC的螺距增加，反射峰红移。因此可以得到从蓝色到红色的结构色。另外，引入PEGDA网络有利于提高薄膜的力学性能。添加了与CNC质量比为1:1的PEGDA和15分钟的紫外光照射后，断裂伸长率达到39%。
图1 （a）变色龙结构色变化机理和（b）CNC/PEGDA薄膜的结构设计与制备
图2 CNC和CNC/PEGDA薄膜的微观结构、光学和机械性能。
得益于CNC/PEGDA薄膜的柔韧性，它具有机械变色的特性。这是由于在拉伸过程中CNC的螺距减少，薄膜的颜色应发生蓝移。然而，颜色变化不明显或不均匀，这可能是由于组装后的CNC移动性差。而且形状恢复不完整，这可能是由于拉伸过程中形成了胶状微粒，阻碍了恢复。另外，当在薄膜上施加0–15 MPa的压力时，结构色从红色到绿色变化。
图3 力学性能和拉伸诱导的变色。
薄膜可用作光子纸，通过无墨水书写处理，可以在纸张上留下彩虹色的痕迹。因为CNC和PEGDA网络具有很高的亲水性，薄膜和标记会随着环境湿度发生颜色变化，即湿度响应。当相对湿度增加到100%时，由于水分子进入CNC的自组装结构，螺距增加，薄膜显示红色，在这种情况下，标记是“隐藏”的。当将相对湿度降低到56%和16%时会导致标记的出现，这归因于水分去除导致的螺距降低。因此可以用于信息加密。
图5 压缩致变色。
图6 湿度响应变色，可作为光子纸用于无墨水书写和信息加密。
亮点小结
综上所述，受变色龙弹性皮肤的启发，作者提出构建PEG的网络桥来连接CNC，制备自支撑且高度柔性的结构色薄膜。PEG链的高柔韧性使CNC基薄膜具有高变形行为，断裂应变高达39%。首次实现CNC基薄膜在拉伸时呈现可逆的结构色变化。此外，薄膜具有水和压缩响应特性，通过在受控环境条件下改变颜色，实现加密和防伪。
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