某些動物改變外貌的能力在捕食、自我保護等生理行為中發(fā)揮著多種功能的作用。幾個世紀以來，這種能力令人類著迷，并激發(fā)了偽裝材料和偽裝器件的發(fā)展。目前，等離子體納米點陣列、響應性光子晶體和多層熱致變色液晶等材料已被設計用于選擇性地反射可見光譜中的光以改變其顏色并使其融入背景中；而電致變色器件、熱致變色材料和機械致變色系統(tǒng)可以動態(tài)地改變其紅外發(fā)射率以響應環(huán)境溫度的變化。然而，對于所有這些光學操縱技術，一個普遍的挑戰(zhàn)是調諧范圍。在可見光方面，很難實現(xiàn)無色差的充分可調顏色；而由于材料對外場響應的限制，較大的紅外調諧范圍也難以實現(xiàn)。此外，同時覆蓋可見光和紅外光譜的多波段偽裝更難實現(xiàn)，因為視覺顏色調諧依賴于頻率操縱，而紅外光譜調諧依賴于強度變化。

(資料圖片僅供參考)

光流控技術利用光-流體之間的相互作用來實現(xiàn)流體流動或光學操縱，用于光調諧和傳感等在內(nèi)的不同應用。微流控作為一種偽裝和顯示技術，與現(xiàn)有的電致變色、機械致變色和熱致變色方法相比，具有兩個明顯的優(yōu)勢。首先，由于流體置換引起的高光學指數(shù)對比度，可以實現(xiàn)充分的顏色切換。其次，流體中含有溶質或顆粒以及溶劑，這為不同光譜波段的需求提供了雙功能調制的可能性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，武漢大學動力與機械學院的研究人員提出了一種微流控策略，采用多層流控結構和雙功能流體在可見光和紅外波段實現(xiàn)了動態(tài)偽裝。此外，該研究以紡織品形式制作了微流控器件，并展示了其在全波段高光譜范圍內(nèi)匹配不同季節(jié)葉片的能力，顯示了可編程微流控技術在自適應偽裝、寬帶顯示和主動熱管理方面的應用潛力。相關研究成果以“Programmable microfluidics for dynamic multiband camouflage”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

如圖1a所示，該可編程微流控器件由具有染料分子和在紅外波段處于半透明狀態(tài)的溶劑的多層流體組成。在每一層流體中，可見光通過染料分子中的電子激發(fā)被選擇性吸收，而紅外光通過溶劑中的分子振動被部分吸收。通過這種分立機制，該微流控器件提供了一種在可見光和紅外光之間互不干擾的情況下操縱它們的方法。

圖1 微流控薄膜的光調制原理和結構

該研究工作測試了具有三種原色：紅色、黃色和藍色的微流控薄膜器件的顏色調節(jié)能力（圖2）。為了簡單和易于編碼，使用（a, b, c）的數(shù)組來表示器件頂層、中層和底層的流體狀態(tài)。每個字母都有一個可選值0、1、2或3。其中，0代表沒有液體，1、2和3分別代表紅色、黃色和藍色液體。如圖2a所示，（1, 0, 0）、（0, 2, 0）和（0, 0, 3）狀態(tài)分別代表了原始的紅色、黃色和藍色。此外，可以通過堆疊相同的流體來調整原色的亮度。在（0, 0, 0）、（1, 2, 0）、（0, 2, 3）、（1, 0, 3）和（1, 2, 3）的狀態(tài)下，還獲得了白色、橙色、綠色、紫色和棕色。與使用染料混合物的傳統(tǒng)顏色混合不同，這種方法在沒有染料混合的情況下利用器件每一層的光減法，從而實現(xiàn)更容易的可逆顏色操作。該微流控薄膜器件在不同狀態(tài)下的實測反射光譜如圖2b所示。基于這些光譜，研究人員計算了每種顏色的色度，結果如圖2c所示，涵蓋了廣泛的顏色范圍，并且可以通過添加微通道層進一步擴大所獲得的顏色范圍。

圖2 利用微流控薄膜器件在不同填充狀態(tài)下獲取到的可見光顏色

隨后，研究人員對微流控器件的紅外光操縱性能進行了研究。如圖3a所示，在相同的60℃溫度下，不同填充狀態(tài)下該微流控薄膜的紅外圖像明顯不同。通過調整紅外相機的發(fā)射率，直到薄膜顯示真實溫度（60°C），從而獲得了薄膜的發(fā)射率。如圖3c所示，隨著填充狀態(tài)的不同，薄膜的發(fā)射率從0.42增加到了0.90。為了確認結果，研究人員測量了薄膜的反射光譜。如圖3b所示，反射光譜的形狀幾乎相同，但光譜強度不同。通過對相對于黑體輻射的波長的光譜吸收輻射進行積分，研究人員獲得了薄膜在7.5 μm~14 μm的大氣透明窗口中的綜合發(fā)射率。結果與熱像儀測量值非常吻合（圖3c）。

圖3 微流控薄膜器件的紅外操縱性能

鑒于該微流控薄膜器件對可見光和紅外光譜的可調諧性能，研究人員展示了該薄膜在可見光和紅外偽裝中的應用潛力。如圖4a所示，將尺寸為2.5 cm × 2.5 cm的微流控薄膜貼附在溫度為60℃的白色陶瓷加熱器上。將加熱器在人造背景（背景顏色依次從白色變?yōu)辄S色、綠色和棕色）上移動，并使用數(shù)碼相機和紅外相機捕捉加熱器的可見光和紅外圖像。如圖4b、4c所示，加熱器自適應地改變其顏色以匹配可見光和紅外成像中的不同背景，實現(xiàn)了動態(tài)可見光和中紅外偽裝。而對于沒有微流控薄膜的加熱器，兩臺相機都清楚地捕捉到了移動的加熱器。

圖4 微流控薄膜器件的動態(tài)可見光和紅外偽裝

為了展示該微流控薄膜器件的應用潛力，研究人員進一步將薄膜制成紡織品形式（圖5a）。在400 nm~2500 nm的太陽輻射光譜范圍內(nèi)，將該微流控紡織品用于地面高光譜偽裝。自然樹葉作為一種常見的地面植被，具有復雜的光學特性，因此，該研究將自然樹葉作為背景。該研究設計了兩層紡織品來模擬樹葉的反射光譜。上面一層彩色水用于可見彩色顯示，下面一層灰色水用于反射強度調制。底部放置白紙以增強反射強度。如圖5e、5f所示，填充了設計液體的紡織品不僅顏色與綠葉非常相似，而且反射光譜也相似。通過改變紡織品內(nèi)部的液體，顏色和光譜立即改變?yōu)榻咏S葉的顏色和光譜，這表明偽裝薄膜對自然環(huán)境中季節(jié)或位置變化的適應性。

圖5 微流控紡織品在400 nm~2500 nm的高光譜偽裝性能

綜上所述，該研究開發(fā)了一種具有多層流控結構和雙功能流體的可編程微流控器件，該器件可以在三種原色流體輸入的情況下動態(tài)顯示幾乎整個可見光和發(fā)射率在0.42至0.90范圍內(nèi)的紅外光譜波段。這種能力使該微流控器件在可見光和中紅外偽裝方面都具有應用潛力。此外，該研究以紡織形式制造了微流控薄膜，用于擴大應用。該微流控紡織品具有專門設計的流體和堆疊結構，可以在包括可見光到近紅外波段的全光譜范圍內(nèi)動態(tài)匹配葉片的反射率。考慮到其寬波段和精細的光調制性能，該可編程微流控器件可能為跨多波段電磁頻譜的智能光學表面開辟新的途徑，并在自適應偽裝、寬帶顯示和主動熱管理等應用領域具有巨大潛力。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-023-00494-3

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