智能荧光显示系统：感光而动，变色成画

来源:中科院半导体所发布时间:2021-12-1262浏览

文章来源：中科院之声；作者：施慧慧

在“物竞天择，适者生存”的法则之下，自然界中的生物们各显神通，进化出了许多令人惊奇的特殊技能。其中有一些“变色大师”，比如变色龙、章鱼等（图1），能够在短时间内改变自己的皮肤颜色，既可以隐藏于环境中迷惑天敌或猎物，也可以表现得鲜艳而危险以吓退入侵者，还可以变换条纹或斑点和同类“说话”。

图1 变色龙和章鱼（图片来自网络）

那么，这些生物是如何做到随心所欲地变色的呢？以章鱼为例，它们的皮肤中聚集着数百万个红、黄、黑色的色素细胞，一旦周围环境发生变化，它们的大脑就会指示与这些色素细胞相连的肌肉细胞收缩或舒张，从而控制不同色素细胞的暴露面积，把自身整体调整为与环境相近的颜色（图2）。

图2 章鱼皮肤中的色素细胞变化（图片来自网络）

生物们感知环境变化并及时做出反应的能力也早已引起了研究者们的关注，受它们各种精巧的变色机制启发，许多能像生物一样在不同条件刺激（温度、酸碱度、湿度、光照等）下呈现出特异的颜色或图案的智能变色材料应运而生，并在传感检测、信息加密、柔性显示、仿生伪装等领域发挥出巨大的作用。

不过，目前的人工材料多是通过向体系中引入具有刺激响应性的发色团实现变色，类型有限，合成难度大，并且在快速响应、稳定可逆、精确多色调控等方面的性能远不及生物体。近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料课题组陈涛研究员与路伟研究员模仿章鱼“利用色素细胞变形驱动皮肤变色”的机制，报道了一种“光控多色荧光凝胶驱动”调制的智能图案显示系统，为解决这些问题提供了一种新思路。

这一系统的核心是由二维碳纳米管（CNTs）薄膜、聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜和多色荧光高分子凝胶通过层层复合得到的非对称近红外光响应荧光驱动器（图3a）。当近红外光照射黑色的CNTs一侧时，具有光热效应的CNTs层可以将光能转化为热量，并传递给相邻的PDMS层。在高温下，PDMS层受热膨胀，导致整个驱动器自发地向多色荧光凝胶一侧弯曲。把这个可变形的驱动器装载到局部镂空的定制图案显示面板下方后，可以看到随着驱动器的弯曲，器件顶部将同步地表现出荧光图案的变化（图3b），即从蓝色逐渐变为红色。

图3 智能图案显示系统的基本结构和光控变色过程

基于上述原理，我们可以在这样的智能荧光器件上呈现种子发芽（图4）、火炬燃起（图5）等动态变化的图案。比如在图4中，近红外光关闭时，器件内部的绿色荧光驱动器为直立状态，处于我们的视野盲区，此时器件顶部只显示一个黄色的小土堆。近红外光开启后，器件内部的绿色荧光驱动器逐渐弯曲，从而出现在我们的观察视野中，器件顶部随之显示一个破土而出的绿色幼苗。类似地，没有近红外光刺激的情况下，图5的器件顶部显示的是一个举着黄色火炬的绿色小人。随着近红外光刺激下的红色荧光驱动器逐渐升温变形，我们可以看到在黄色火炬中逐渐升起红色火焰。

图4 种子发芽

图5 火炬燃起

更重要的是，通过改变近红外光功率的大小，可以对驱动器的升温速度和弯曲程度进行远程调控，从而在相同的光照时间下，器件顶部显示的荧光图案或信息也会相应变化（图6-7）。由此，我们可以利用单一的刺激源在同一器件上输出多种不同的结果，实现对荧光图案的精确按需调控，这也是目前绝大多数智能变色材料难以做到的。此外，由于这类系统的变色是通过材料的机械变形实现的，所以具有刺激响应性的发色团不再是必需的，这也大大扩宽了荧光材料的选择范围。