爱摄影的他，发现了材料界的“变色龙”

2024-12-04 09:57:47 来源：中国科学报 责任编辑：

王东升。

■本报记者 杨晨 通讯员 罗莎

王东升曾在网上碰到过这样一个问题：如果有机会获得一项超能力，你想要哪一种？他的选择是“隐形”。没想到多年后，这一在当时不切实际的“梦想”竟然成真了。

如今，电子科技大学光电科学与工程学院副教授王东升和教授韦晨、郑永豪研发出一种能在环境光线作用下自动变换为相应颜色，从而实现“隐形”的材料。近日，相关研究成果发表于《科学进展》。

该研究的灵感源自王东升最爱的摄影。爱好和专业相辅相成，王东升的学术世界流光溢彩。

材料界的“变色龙”

在自然界，变色龙会根据心情、环境和温度的变化来改变皮肤颜色。王东升和团队研发的“光致变色”材料受到光源激发后颜色会发生变化，被称为材料界的“变色龙”。该材料有一种“自适应光致变色”（SAP）功能，即完全靠材料本身的性质识别环境颜色并始终与其保持一致。

研究人员将装有SAP材料的方管罩上绿色亚克力盒后，盒内逐渐腾起绿色的“烟雾”。经过10秒左右时间，原本在白光光照下呈黑色的材料，已完全与绿色亚克力盒“相融”。如果换成橙色或红色的亚克力盒，材料也会随之“变装”。

据了解，国外曾有研究人员研制过类似的“变色”系统，主要利用摄像头捕捉环境颜色，根据温度或拉伸的条件实现颜色的变化。但该系统高度依赖电子设备，且设计复杂、造价高，一旦受到外部影响就会“罢工”。

王东升介绍，SAP材料完全依靠自身“反应”实现变色，从以前的“有源式”伪装进化到“无源式”伪装。

变色龙之所以能够变换体色，是因为身体内部的神经学调控机制，能够“指挥”皮肤表层内的色素细胞。但材料没有“神经系统”，如何实现自我调控？

一种名为给体-受体斯坦豪斯加合物（DASAs）的光致变色分子发挥了作用。DASAs分子在可见光作用下会从有色转变为无色，王东升和团队将不同种类的DASAs分子“融合”为一种新材料。

每一类DASAs分子就像一个调色“开关”，受到特定光线照射后，对该光线的吸收能力就会下降，并反射出来使材料变色。整个运行机制如同一个控制电路，在某种光线照射下，只会触发相应的分子“开关”，而不引起其他变动，从而“亮起”与光线一致的颜色。

此前，大多数光敏材料与器件的整体控制逻辑都很简单，呈现“0”和“1”的对立切换关系。例如，光控药物释放系统的“打开”和“关闭”、加密与防伪领域中信息的“显影”与“隐藏”、有机光电二极管中的“导通”与“断开”……

“我们希望这样单一的开关式控制逻辑，能够向多状态、多模式、多阶段发展。”王东升说，就像是自己手中相机上的模式转盘，可以随时精准切换不同的拍摄模式。

王东升认为：“人类能感受到环境的复杂并作出不同反应，材料也可以。我们顺应材料本身性质去设计，也许就能更好地开发它的敏锐性。”

互补色的灵感

怀揣这一想法，王东升3年前开始着手SAP材料的研究。在摄影中养成的对色彩应用的感悟力，激发了他不少灵感。

每次按下快门前，王东升对相邻色、互补色、分裂互补色等颜色关系的使用熟稔于心——想要照片更有张力、视觉更具冲击力，互补色的应用很关键。明亮橙色的花朵和青色天空，就是一组不错的搭配。

王东升有一次偶然打开了一张色环图。看着每组呈对角线分布的互补色时，陷入了沉思：“互补的两个颜色，在光谱上呈现的‘吸收’和‘反射’也是相对的。”

可见光光谱主要分为赤橙黄绿青蓝紫7种原色光，每种颜色的可见光对应不同的波长范围。周围物体之所以会呈现特定颜色，是因为能反射这种颜色相应波长的可见光。同时，物体还会吸收其他不同波长范围的可见光，而对自身颜色互补色光线的吸收是最强烈的。“如果我们想让物体变色，能否从其互补色入手？”王东升不禁产生了好奇。

他想到了DASAs的可变色分子，其特性就在于如果受到与自身颜色互补色光线的照射，就会变无色。而且，DASAs不“拖泥带水”，反射某种可见光的同时，只吸收与其颜色互补的可见光。

有了这个想法后，王东升做了初步的探索，花一个多月做出了一个薄膜材料。虽然成品较粗糙，但看到在绿光照射下，材料缓缓显出淡淡的绿色时，他信心倍增：“这个事应该成了。”

接下来的3年时间里，王东升经历了提出理论、设计材料、实测结果、验证理论等过程。他先花了一年多时间，把分别吸收不同颜色的多种DASAs分子进行组合配比，采用稳定且可复制的制备方式，使最终合成的SAP材料能够在绿色、黄色和红色的光线照射下，变化出相应的颜色。

SAP材料还能在红色仙客来、黄色银杏和绿色黄金葛三种不同的植物丛中，识别出环境颜色并“隐匿”其中，提高了材料的应用性。王东升发现，有意思的是该材料可作为自适应伪装涂装材料，以涂料形式进行应用。换句话说，如果涂在衣服上，就能实现“隐身”。

充满“美”的研究

“目前来看，我们还没有完全实现对可见光光谱内所有颜色的调控，这是以后努力的方向。”王东升的“眼界”不局限于可见光区，他希望升级版的材料还能在紫外光区、红外光区等实现自适应变色。

因为世界上很多颜色都不是标准七彩原色。比如，同一种颜色，有的鲜亮，而有的暗淡，这是由光照值，即光的强度或亮度决定的。

“虽然环境颜色的深浅并不影响材料识别是‘哪种色’，但我们考虑了材料对于光照值的识别能力，让显现出的颜色更为接近。”王东升说，目前研究急需完善的是实现对不同混合色光谱级别的识别与模拟。

说到这里，王东升突然饶有兴致地提到了自己最喜欢的动物——皮皮虾的“亲弟兄”雀尾螳螂虾。

人的眼睛中有感受红、绿、蓝三种颜色的视锥细胞，这三种颜色恰好是自然界的三原色。因此，在人类自身发达的视觉和大脑处理系统支撑下，我们可以感受五彩的世界。

“相比之下，雀尾螳螂虾的眼睛拥有16种视锥细胞。它不仅能比人类看到更多彩的世界，还能看到紫外线、红外线，甚至是弧形偏振光。”王东升说，拥有如此好“视力”的雀尾螳螂虾，就算在瑰丽、绚烂的珊瑚礁里穿行，也不会“乱花渐欲迷虾眼”。

雀尾螳螂虾的特殊能力激发了王东升新的研发思路。“或许未来我们会在材料中加入更多的光致变色分子，又或者去缩短分子间在光谱上的距离，总之要找到更多路径，让材料更加敏锐。”

让王东升欣慰的是，目前来看，在-20℃到70℃的温度范围内，材料的变色功能都可以正常发挥，满足了大多应用场景的需求。“只是变色的速度从10秒到20秒不等，暂不可控。”

尽管还有很多难题需要攻克，但这项研究在王东升眼里也是充满“美”的，而他也愿意给这份工作增添更多乐趣。

平日里，王东升在汇报PPT文字、论文插图的颜色选取上，都会参照经典的配色方案，让复杂的数据和专业的文字凸显出艺术美感。“我希望看到它的人，都觉得是生动且有用的，不仅让外行人看到热闹，也让内行人看到门道。”

摄影，是王东升在10多年光敏分子与材料研究生涯中特殊的陪伴。在研究中，如果一时半会儿想不出解决方案了，他就会带上相机走出实验室。“有时候就是要跳出固有的环境或者思维，多看看其他的。走走停停中，说不定就能找到那把‘钥匙’。”

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