利用光散射原理，自然界中的很多生物能够让自身组织出现发白现象，从而实现伪装以捕食或躲避天敌。例如白色甲虫具有各向异性的鳞片内甲壳质网络作为密集的散射介质，墨鱼墨皮中的白色斑点包含随机排列的蛋白质微球等，均可进行光散射使其变色。在工业界，也可以利用二氧化钛、纤维素等填充材料来获得高白度的产品，如个人用品、涂料、纸张等。自然界中的发白组织一般是由特殊的生长机制将自身的纤维状组织无规的组合起来，优化了散射无均值路径（scattering mean-freepath），提高了散射效率。而人造发白系统一般是寻找一些特殊的材料，通过改变材料与周围介质的高折射指数来获得良好的发白性能。
水凝胶在人造生物组织领域有非常广泛的用途，并且可以通过植入多重刺激响应以模拟生物组织的相关性能。但水凝胶并不是传统意义上通过光散射来获得高折射指数的理想材料，这主要是因为水介质与聚合物之间的折射指数太小，以及很难在水凝胶中设计出具有可控孔隙率和空隙尺寸的微观结构所导致的。近来，芬兰Aalto University的Olli Ikkala、Zhang Hang博士团队通过在PNIPAm水凝胶中预先植入具有逾渗网络的通道结构，获得了可以在热场中实现快速可逆透明-发白转变的水凝胶，以《Fast Switching of Bright Whiteness in Channeled Hydrogel Networks》为题发表在最新一期的Advanced Functional Materials杂志上。(DOI: 10.1002/adfm.202000754)
在该工作中，作者首先将琼脂糖在低温通过物理交联的方式形成半互穿网络结构，然后将NIPAm单体聚合以得到目标水凝胶，最后在高温经数次洗涤过程将琼脂糖组分除掉，最终制备了具有通道结构的水凝胶（ch-PNIPAm），制备过程如图1所示。ch-PNIPAm水凝胶经过简单冷热控制，即可完全实现透明-发白-透明的可逆转变。与没有通道结构的水凝胶相比，ch-PNIPAm水凝胶具有更高的反射率，尤其在较大波长范围内（600-800 nm）。
与其他常见发白材料相比，ch-PNIPAm水凝胶具有相当的发白特性。表1列举了与滤纸相比的结果数据，根据CIELAB标准，二者具有相当的发白效率。与自然界中具有白色斑点的乌贼墨皮相比，乌贼墨皮在0.3 mm至0.7mm的厚度范围内，仅有30 %至70 %的反射率，尽管乌贼墨皮在更薄的厚度下也能够达到与ch-PNIPAm水凝胶相似的发射率，但乌贼墨皮的结构决定它没有透明的特性。
通过调控水凝胶中制备过程中琼脂糖的含量，作者发现当琼脂糖含量为0.3 wt%时，水凝胶的反射率有明显的上升，0.3 wt%的含量是琼脂糖形成逾渗网络结构的逾渗阈值，可见ch-PNIPAm水凝胶的反射率与通道的逾渗结构有特定的关系。此外，ch-PNIPAm水凝胶的反射率与波长也有关，相较于长波长（800 nm），该水凝胶对短波长（420nm）具有更大的反射能力。作者还发现，当PNIPAm的含量从10wt%提升至20 wt%时，水凝胶的最低临界温度从34.7降至33.2 ℃，并且二者在转变区具有1℃左右的滞后现象，说明PNIPAm含量对其透明-发白转变行为影响不大。但是，ch-PNIPAm水凝胶的厚度对其反射率影响极大，当厚度从0.95降至0.18nm时，在800 nm处的反射率将从67%降至15 %，如图2所示。
为了进一步验证发白效率提升的原因，作者选用TEMPO作为第一半互穿网络，发现该水凝胶并没有表现出明显的发白现象。继续采用琼脂糖做第一半互穿网络，更替PNIPAm为P(DEGMA-co-OEGMA)，同样也发现了明显的发白现象。因此作者认为，快速可逆的透明-发白现象主要是琼脂糖通过物理交联所形成的逾渗网络结构作为半互穿网络模板引起的，当高温除掉琼脂糖后，留下的通道结构增加了水分子的运行速度，提高了LCST型水凝胶的相转变速率，从而体现出更高的发白效率。
通过光热加热和原位透光度侦测技术，作者发现对于635 nm光，仅需500ms就可以实现从透明到完全发白，需要4.5s 就可以实现从发白到透明，如图3所示。考虑到热传导过程中的滞后现象，设备的激光功率、脉冲时间以及平均功率等均对响应时间有影响。为了消除测试过程中的影响，作者经拟合相转变动力学过程，计算得到ch-PNIPAm水凝胶的时间常数（time constant）为87 ms，而没有通道结构的PNIPAm水凝胶的时间常数为1580 ms，ch-PNIPAm水凝胶的响应速率整整提高了18倍。
视频：外部加热可逆切换ch-PNIPAm投影屏幕。AaltoUniversity的徽标图像连续投影到水凝胶薄膜上，用加热枪打开毛细管内的水凝胶膜（视频中显示了加热时间）以显示投影图像，取下热风枪后，水凝胶薄膜冷却并再次变为透明，图像消失。
作者进一步将该水凝胶应用于颜色显示设备中，如图4和视频S1所示。将希望显示的字样预先投影至透明水凝胶上，在室温时，整体水凝胶呈现透明，无任何显示。当温度升高高于其转变最低临界温度后，受热部分发白，变的不透明，从而可以清晰的显示出预先投影在水凝胶上的字样图案。
该论文第一作者为Aalto University 的博士生AmandaEklund, Hang Zhang博士和O.Ikkala教授为共同通讯作者。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000754
