某些花瓣(如木槿花,Hibiscus Trionum)表面的角質層會在隆起的表皮細胞上形成微納米多級結構。這些多級結構可以產生廣角結構色從而提高傳粉媒介(蜜蜂、蝴蝶等)的覓食效率。儘管諸多研究已經致力於模仿這種獨特的廣角結構色,在人工模型中仍缺乏天然花瓣所固有的可調性來控制結構色的光譜。
在美國麻薩諸塞大學安姆斯特(UMass Amherst)的Crosby研究組工作的陳超博士後與英國劍橋大學合作,開發了一種基於多級褶皺力學的光學結構,實現了對結構色可觀察角度的主動調控。定量的雷射幹涉實驗表明,結構色角度的可觀察寬度由所施加的力學變形主動控制。該多級光學結構中較小的褶皺控制著光學幹涉,而較大的褶皺可以擴展幹涉的可觀察角度。實驗和理論發現,該廣角結構色的多級褶皺僅能在有限條件下形成。若缺失具有幹涉效果的小褶皺,單一的大褶皺不會顯示結構色。對褶皺模式的控制模仿了花瓣的可調節性,從而為理解自然系統表面形貌的形成提供了新的認識,並為可調結構色的控制提供了堅實的基礎。
圖1. 多級形貌擴展結構色可觀察範圍的機理示意圖
結構色源於微納米結構的光學幹涉。幹涉光的波長受控於微納米結構的間距、入射角度和接收角度。因此,特定波長的結構色的可觀察角度通常是離散的。從肥皂泡到光碟,結構色在日常生活中無處不在。在動物界,某些昆蟲、鳥類和爬行動物進化出微納米結構產生結構色用於信號傳遞、熱調節和偽裝;在植物界,某些花瓣、葉子和果實上也發現了結構色。令人驚訝的是,自然界的許多結構色呈現出較弱的角度依賴性。著名的大藍蝶的翅膀背面,驚豔的藍色結構色幾乎像顏料一樣獨立於觀察視角。在木槿的花瓣上也發現了具有較寬的可觀察視角的廣角結構色(圖2a,b中花瓣的深色區域)。之前的研究已顯示這種獨特的光譜可增強傳粉媒介(昆蟲等)的覓食效率。在過去的十年中,廣角結構色材料的仿生設計已經出現在塗料、反射顯示器、光學傳感器、能量收集和廣告領域,但缺乏天然生物材料所具備的可調控性。
圖2. 具有廣角結構色的木槿花瓣和表面的多級結構
廣角結構色源於多級微結構的複雜光學幹涉。例如,木槿花瓣上的角質層在膨大的表皮細胞上形成微納米褶皺(圖2c,d)。這些褶皺的光學幹涉形成了廣角結構色。同時,彎曲的表皮細胞基底雖不會與光產生幹涉,但會使微納米褶皺所在的表面發生傾斜,從而拓寬結構上的可觀察角度(圖1b)。另外,木槿的結構色僅限於形成褶皺的花瓣根部(圖2b中的深色區域)而缺乏褶皺的花瓣遠端是沒有結構色的(圖2b中的淺色區域)。該現象也預示著花瓣還存在控制表皮起皺與否的潛在途徑。近期其他的研究通過對預先蝕刻的納米光柵的薄膜起皺,模仿鬱金香花瓣的廣角結構色。但是,這些研究沒有集成自然系統所固有的多級結構形成機制,因而限制了結構色的可調控性。
近日,陳超博士後所在的美國麻薩諸塞大學安姆斯特(UMass Amherst)的Crosby研究組與英國劍橋大學植物學領域的Glover研究組合作,從花瓣結構色汲取靈感,用高分子薄膜材料設計光學表面,使用逐層沉積的製備方法,通過定量控制薄膜的厚度和模量來精確調控多層薄膜系統的力學起褶,實現較大面積的複雜多級光學結構的製備,產生可力學調控的廣角結構色。進一步的定量模型為該人工結構色系統及自然系統提供了新的見解。該研究於2020年10月26日以標題「Flower Inspiration: Broad-angle Structural Color through Tunable Hierarchical Wrinkles in Thin Film Multilayers」發表在先進功能材料 (Advanced Functional Materials)上。 該研究受人類前沿科學計劃(Human Frontier Science Program)資助,致力於理解生物表面形貌產生的普適物理機制。
圖3. 薄膜表面形貌受壓縮變形調控,以及相應的雷射幹涉信號
研究結果顯示,該薄膜系統被壓縮後,其表面顯示出強烈的結構色,且定量的雷射幹涉實驗量化了材料參數和力學變形對結構色光譜的影響(圖3)。隨著對薄膜的壓縮,其表面首先形成單級的較小褶皺,產生窄角的雷射幹涉(圖3b中33度角與60度角附近)。在更大變形下,薄膜發生二次起皺,形成可拓寬幹涉角度的較大褶皺,幹涉信號開始變寬。 因此,幹涉信號的寬度可精確地由薄膜表面褶皺結構的受力發展調控。
將軟膜硬基地的起皺理論應用於多層複合材料中,可以定量預測起皺的臨界條件和褶皺波長。該工作中對薄膜材料的力學特性和厚度的精確控制實現了對光學幹涉和可視角度增寬的定量控制。其中,幹涉信號的的中心角由經典的Bragg定律控制。同時,該研究的理論與實驗結果顯示,幹涉信號的擴展角度由受壓縮變形調控的大褶皺的高寬比控制(圖3b)。
此外,實驗和定量建模還發現,實現該廣角結構色的多級褶皺僅能在有限條件下形成。當改變薄膜材料的軟硬度或者厚度,有可能出現僅具有一個大波長的單級褶皺(圖4)。這種形貌對材料性能的敏感性也體現在花瓣系統中:木槿花僅有近端部分會產生微結構顯示結構色,而遠端部分則不能。研究中的理論與數值模型提供了控制褶皺形態的定量關係,從而預測不同形貌之間的邊界。該發現可指導用褶皺力學設計具有廣角結構色的光學器械,並可用於定量理解具有該廣角結構色的生物系統。
圖4. 多級褶皺和單級褶皺以及其控制條件
本文的第一作者陳超為麻薩諸塞大學安姆斯特(UMass Amherst)的博士後。他畢業於哈佛大學,以軟材料力學為基礎,從事高性能軟材料的設計、基礎柔性力學發展和軟材料的力學仿生應用等研究。本文的通訊作者為麻薩諸塞大學安姆斯特(UMass Amherst) 的Crosby教授。其研究組以高分子材料和力學為基礎,致力於研究受自然啟發的材料和工程設計。共同作者還有同校的R. Kanane Bay,現為普林斯頓大學博士後,以及劍橋大學植物系的Glover研究組 (Beverley J. Glover教授 ,Chiara A. Airoldi研究員,Carlos A. Lugo研究員) ,主要研究領域是吸引授粉動物的花卉特徵的演變和發展。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006256