在自然界中，有些动物在受到刺激后可以改变自己的颜色，以躲避敌人和捕食者。这一特性主要是由于动物身体表面微/纳米结构对外部刺激响应的变化。研究者受这一自然现象的启发，目前已开发出多种可根据外部刺激（例如机械力，生物力学致动，温度，化学成分，电力和磁力）灵活地进行颜色变化的材料。这种特有的响应性意味着结构着色技术可能非常适合用于传感器，机器人，智能窗户和防伪等方面。
到目前为止，大多数具有结构着色特性的材料在外界刺激下能够主动、灵活地显示各种颜色。然而，实现隐-显转换颜色行为，特别是在透明状态和有色状态之间的切换，则更具挑战性和吸引力。
基于此，韩国蔚山科技大学Kyungjun Song和Taesung Kim共同报道了一种由图案化喷墨打印的刚性SiO2纳米颗粒（NP）和柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成的复合器件。由于PDMS和SiO2 NPs的光学特性相似，该器件在正常状态下是完全透明的。但是，由于两者之间的机械强度相差很大，在压缩载荷下，器件表面产生屈曲型失稳，产生一维或二维褶皱阵列图案。然后这些阵列充当多维光栅，根据观察角度显示各种结构上可切换的颜色。
SiO2-NPs/PDMS复合器件的构建
首先，以SiO2 NPs作为墨水，在玻璃基板上进行间隔为150 um的图案化喷墨打印。每一滴墨水蒸发后会在玻璃基板上形成一个咖啡环状的纳米结构（图1）。然后将PDMS灌注到这些纳米结构中，以封装图案化的SiO2 NPs，待固化后将PDMS板剥离。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复合器件外观完全透明，即使在白色和蓝色的背景上，印刷图案也无法显现。此外，SiO2-NP/PDMS复合器件具有高度的柔性，允许外界对器件施加多种机械刺激。
复合器件在不同外部刺激下的结构变色机制
SiO2-NPs /PDMS复合器件在正常状态下是完全透明的（图2a），一方面是因为SiO2和PDMS的反射指数值相似。另一方面是因为在正常状态下咖啡环周围周期性的皱纹图案完全不存在，因此该器件不会产生光栅结构，也不会干扰光线。但是当器件向内弯曲时就会出现“UNiST”徽标的彩色图像（图2b）。这是因为向内弯曲引起的压缩力诱导SiO2-NPs/PDMS层状复合表面沿y轴产生周期性的褶皱阵列，该阵列表现为一维衍射光栅，它将白光源分解为不同颜色的光谱（图2e）。因此，当设备弯曲时，透明的 SiO2-NPs /PDMS复合器件显示出彩虹色，颜色取决于观察角度。相反，当器件向相反方向(向外)弯曲时，则不显示任何颜色（图2c）。这可能是由于SiO2-NPs/PDMS层状复合表面在相反外力刺激下没有产生褶皱阵列。作者通过研究发现在厚而软的衬底/层表面（PDMS）上的薄而硬的薄膜/层（SiO2-NPs）在压缩应力作用下能够呈现波纹状（图2d），形成具有周期性的皱纹/图案阵列。
隐-显变色机制的应用
将向内弯曲的SiO2-NPs/PDMS复合器件旋转90°时，彩虹色就会神奇的消失（图3a）。这是因为沿y轴弯曲时皱纹为一维结构形式（向内）。光栅结构在旋转后将入射光衍射成几个不同方向的光束，这与光束间距和光波长密切相关。如果观察角度位于没有光束可以通过或多个光束可以通过的空间/区域之外，就会导致观察的透明性。该特性使器件仅在特定角度范围内显示颜色，从而增强了信息的保密性，以满足特定情况的需要。但是当给复合器件施加各向同性（2D）的压力时，旋转90°颜色仍然存在（图3b），这是因为生成的褶皱从一维平行结构阵列变为二维发散结构阵列。基于此，作者应用该技术开发出了两种隐蔽的防伪技术，在不同方向的压缩弯曲作用下，可以分别显示出正反面打印的笑脸图案（图3c）；也可以有选择地将隐藏的、透明的二维码图案转化为明显的二维码图案，并通过普通手机对二维码进行解码，直接进入预定网站（图3d）。
本文链接：
