科研团队研发出新的智能材料，有望用于信息加密、防伪标签和传感器等

最近，康涅迪格大学化学生物分子工程系教授孙陆毅提出了仿生设计、材料表面工程、多尺度结构有机结合的设计理念，使最终材料具有可转换的表面结构，如动态变化裂缝、响应褶皱/折痕或其他类似结构，具有许多新的动态刺激响应功能。相关论文发表在 PNAS 上[1]。

图 | 相关论文(来源:PNAS）

这些形状结构实现了光学、电学和机械性能的可调动态刺激，如光散射效应、光屏蔽性能、水/应变/光热可调表面反射率等。

基于上述设计理念，团队采用溅射涂层的物理气相沉积法，通过控制溅射时间，方便地制备金属纳米涂层硬膜。同时，受自然界褶皱和裂纹结构的启发，研究人员将金属涂层和聚二甲基硅氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane）或聚乙烯醇（PVA，polyvinyl alcohol）杂化结构设计作为软层或软衬底，制备了一系列具有可转换表面形状结构的多功能智能材料系统。

其中，通过调整同一纳米金属层的厚度（本实验选用金/钯合金纳米层，但其他金属也适用），实现了对其透光率、反射率和光热响应性能的调节。因此，涂层和软层的杂化结构具有应变或光响应的褶皱/裂纹等微纳结构，以及宏观膜干扰结构的颜色。

根据这些特征，研究人员制备出一些系列器件，它们或具有刺激响应的可调光散射或光屏蔽性能，或具有做可任意光雕刻和湿度响应结构色等性能。需要指出的是，和其他成膜方法相比，溅射镀膜技术已经非常成熟，几乎无需专业培训即可上手，很多实验室都有这类设备（所有扫描电镜实验室基本都有），所以具有很强的通用性。

与以往的研究不同，该团队不需要使用多种材料来调节透光率、反射率和光热响应， 上述性能只需要相同的金属纳米层，只需要调整厚度。制备过程非常简单，很容易扩展到其他类似的应用程序，并有助于实现工业化。

（来源：PNAS）

具体来说，在拉伸和释放收缩的过程中，团队制备的第一个设备可以实现透明度的快速变化，或立即显示和隐藏预先刻入的图案。其结构主要小于一层 9nm 厚金属纳米涂层薄膜牢牢地附着在透明软弹性衬底的上表面或上下表面。

在非拉伸状态下，金属涂层表面结构平整光滑，材料透明度高。在拉伸状态下，金属纳米涂层形成有序结构，结构大大提高了光散射性能，使材料不透明。

第二个装置使用约为 15.8nm 厚金属纳米涂层具有良好的反射性能和光热响应 PDMS 衬底和 PVA 薄膜多层杂化，获得具有结构色的光学器件。

通过简单的加热和冷却到室温，薄膜和衬底的不同热膨胀系数可以产生褶皱结构，激光可以在精确的局部释放为平坦的结构。因此，材料表面可以用激光刻录任何预制图案。同时，褶皱也可以由水蒸气释放，结构颜色因膨胀而发生变化，具有水蒸气响应的光学性能，光刻图案也可以被水蒸气消除。

第三种设备是基于较厚的设备 29.9nm 含染料的金属纳米涂层和弹性衬底的杂化结构。其中，较厚的金属纳米涂层具有良好的可见光屏蔽性能，拉伸系统后，涂层表面会出现许多微裂纹，裂纹宽度会随着拉伸变形的增加而增加。

这些微裂缝就像百叶窗。拉伸时，它们就像打开百叶窗，收缩时，它们就像关闭百叶窗。因此，拉伸会观察衬底的染料颜色。释放时，裂缝关闭可再次屏蔽衬底，因此该设备具有强烈变色的性能。

结合这一性能，团队还开发了一款手机 App，它可以将压力导致设备颜色的变化转化为相应的压力变化。此外，他们还准备了一种多响应显示/隐藏图案设备，可以响应紫外线、温度变化和拉伸应变。

（来源：PNAS）

一系列具有新型刺激响应性能的智能材料已经制备好。在过去的几年里，该团队一直致力于制备一系列具有新型刺激响应性能的智能材料，结合仿生设计、材料表面工程和多尺度构建策略。他们先后开发了一系列基于荧光/透明度变化的动态可调力变色器件[2][3]，并将该系统延伸到基于可见光的多响应变色器件[4]和热辐射调节器[5]。此外，他们还开发了一种水分响应[6]和可光刻褶皱结构[7]，以及具有光、力、电、磁等多响应的褶皱系统[8]。

在此期间，他们发现，当使用溅射涂层机作为工具时，可以使用气相沉积法制备均匀、硬的金属涂层膜。这种薄膜的光学透明度、反射性和光热响应性能可以通过调节溅镀时间来实现。该材料的制备也为实现多功能双层或多层杂化系统奠定了重要基础。这种金属薄膜可以通过简单的表面改性与各种衬底产生化学键合，从而形成稳定的层间界面。这对保证材料系统的稳定性、耐久性和可逆性起着关键作用。

此外，溅射沉积金属涂层的方法具有各向同性的特点，可以使得衬底的不同的侧面同时形成均匀的金属膜，对他们实现其中一种上下表面都具有均匀金属膜的智能窗户器件起到了重要的作用。

（来源：PNAS）

由于金属膜的厚度可以准确调节，研究人员还可以准确控制金属膜和软衬底形成的裂纹或褶皱结构的特征尺寸以及相应的性能，从而实现不同的刺激响应功能。

综上所述，金属涂层膜与聚合物/软衬底的杂化具有普遍的适用性，易于操作，具有良好的工业化前景。相信其他研究人员也可以用这种方法制备硬膜，用于与软衬底杂化，开发出更新颖的智能材料体系。预计将用于信息加密、智能窗口、防伪标签和传感器

可应用于以下几个方面：

(1)信息加密:有些信息可以通过特定的方式提前记录和隐藏在材料中，然后通过应变、水蒸气、紫外线等特定的刺激方式读取；

(2)智能窗:其透明度可以通过应变或电驱动来改变；

(3)防伪标签:相应的标签可以对水蒸气、紫外线等做出反应，产生特定的防伪光学现象；

(4)压力传感器:手机可以通过压力施加产生的颜色变化 App 读取并转化为压力值。

(5)湿度传感器:设备可以对相应的湿度变化产生不同的颜色变化；

（来源：PNAS）

接下来，研究人员希望进一步结合电致发光等材料学的其他方向，也希望跨领域与机器学习或人工智能相结合，进一步扩大相关应用。