中国科大成功研制一种高光谱仿生变色材料

发布者:webmaster发布时间:2023-11-15浏览次数:10

植被是典型的地面背景,针对植被的高光谱材料一直是工程领域的重点和难点:一方面,植物叶片具有独特的太阳光谱反射特征,材料需要在整个太阳光谱内与叶片光谱特征一致;另一方面,植物叶片的颜色及光谱特征会发生变化,材料需要具备变色能力。近日,中国科学技术大学工程科学学院研究团队针对上述难题,基于仿生思想研制了一种新型高光谱变色材料(图1)。该材料能模仿落叶植被在绿色和黄色之间的变色现象,且在两种色态下均能复现植物叶片的太阳光谱反射特征。相关研究成果以“A Color-Changing Biomimetic Material Closely Resembling the Spectral Characteristics of Vegetation Foliage”为题在线发表在材料领域知名期刊《Small》。

图 1 实现可逆变色的仿生植株

自然界中植物叶片的颜色变化特征与叶肉细胞内的色素含量变化有关。当细胞内的叶绿素含量较高时,会掩盖其他颜色的色素,使植物叶片呈现绿色。当叶绿素因外界环境改变而分解后,细胞内的胡萝卜素等其他色素的颜色就会显现出来,使植物叶片呈现黄色或红色。研究团队从植物叶片的变色机制中获得灵感,提出一种将绿色动态颜料与黄色静态颜料复合的颜色变化模型(图2)。绿色动态颜料具有着色态和褪色态两种色态,当其呈着色态时会掩盖静态颜料的颜色,而当其呈褪色态时静态颜料的颜色就会显现。基于该仿生思想,研究团队将热致变色微胶囊颜料与钛铬黄颜料复合,利用溶液铸膜法制备了以聚乙烯醇为基材的变色仿生材料。该仿生材料的颜色变化通过施加外部温度刺激来切换,并且具有双稳态特性,两种色态均能在常见的户外环境中稳定存在。

图 2 变色仿生材料的设计思路

在实现变色现象的基础上,团队进一步通过发展颗粒系辐射传输模型设计材料中的颜料颗粒配比使其模仿叶肉细胞中细胞堆叠结构对入射辐射的散射过程,从而形成与真实叶片一致的近红外高反射特征;借助具有亲水特性的基材使仿生材料吸收空气中的水分,从而模拟植物叶片的水吸收谷特征(图3)。此外,仿生材料还可随环境中湿度波动进行水分吸附和脱附,模仿植物叶片通过水分输运进行温度调控,与天然叶片的红外特征一致(图4)。该研究实现了针对落叶植被的高光谱变色仿生,在工程领域具有广阔的应用前景。

图 3 变色仿生材料(CCBM)的太阳光谱反射特征

图 4 变色仿生材料的红外特征

该论文第一作者为我校工程科学学院热科学和能源工程系博士生黄子真。我校龙林爽特任研究员、叶宏教授和刘明侯教授为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院人才项目和中国科大启动经费的支持。

文章链接:https://doi.org/10.1002/smll.202303966

(来源:中国科大新闻网)