根據外部刺激動態調節中紅外輻射（中紅外：7.5-14 μm），可實作加密、電致變色顯示、偽裝、輻射冷卻、人機互動和熱管理等先進技術。
成果簡介
在此， 上海交通大學鄧濤教授、宋成軼副教授和美國北卡羅來納州立大學Michael D. Dickey教授等人 報道了一種具有多種紅外反射調節模式的液態金屬基紅外調節材料和系統。具體開始， 作者受變色龍皮膚亮度調節的啟發 ，在有機矽彈性體（Ecoflex）基質中使用了形變液態金屬液滴，使其類似於分散的 「黑色素細胞」。在該系統中，Ecoflex 可作為激素驅動液態金屬液滴變形。可實作基於全反射和鏡面反射的紅外線偽裝。通常情況下，總反射率和鏡面反射率的變化振幅分別為~44.8%和61.2%， 這是已報道的紅外偽裝最高值之一 。
同時，透過調整液態金屬的濃度和施加面積等應變，探索了可編程紅外編碼/解碼。透過引入不同熔點的合金，可實作隨溫度變化的紅外塗敷/書寫。此外，還設計了多層結構的紅外調制系統，將液態金屬基紅外調制材料與蒸發金屬膜整合在一起，以提高該系統的效能。
相關文章以「 Chameleon-inspired tunable multi-layered infrared-modulating system via stretchable liquid metal microdroplets in elastomer film 」為題發表在 Nature Communications 上。值得註意的是，這也是 鄧濤教授 繼Science之後，時隔一年基於液態金屬技術再發的又一重要成果！
研究背景
具體而言，機械刺激紅外調節器還可用於個人熱管理、輻射熱管理、手指運動感應等領域。現有動態紅外調節系統中使用的各種材料有助於控制系統的某些紅外特性。例如，金屬具有高紅外反射率，相變材料具有溫度調節紅外發射率，二維（2D）納米材料的紅外發射率取決於成分。此外，已報道的大多數紅外調制材料都設計成二維結構，這限制了紅外調制沿平面外方向的發展。為了實作廣泛的實際套用，理想的紅外調制材料不僅應具有卓越的調制效能和多種調節響應的機制，而且還應允許多層設計。
在自然界中，已經發現變色龍皮膚中的黑色素細胞透過黑素體的分散和聚集來強烈調節入射陽光與黃素團/虹膜團之間的相互作用（圖1a）。當黑素體聚集在黑色素細胞內的核周位置時，皮膚呈現鮮艷的顏色。相反，當黑素體遷移到位於虹膜團和黃色團上方的末端突起時，它們有效地阻止了光照射到下面的虹膜團。它會導致皮膚看起來很黑。這樣的過程是完全可逆的。變色龍皮膚的亮度變化涉及透過移動黑素體來調整太陽光和虹膜之間的相互作用，這不會改變反射光的波長，但會改變反射光的強度。它類似於紅外熱像儀的工作原理，它使用假色來表示紅外的光強度範圍為1.7至5 μm。由於紅外調制系統的紅外反射率可調，可以調節不同的紅外訊號並產生自適應的紅外影像。因此，變色龍的亮度變化機制啟發了可逆紅外調制系統的設計。
圖文導讀
具有可逆形狀變形特性的液態金屬微滴可以作為紅外調制系統「黑色素細胞」的候選者。液態金屬具有水狀粘度、高表面張力、低生物毒性等特點，已廣泛套用於軟電路中、熱管理、成像造影劑和化學催化中。液態金屬類似於鋁（Al）或金（Au），具有很強的紅外反射率，但與那些固體金屬不同，液態金屬很容易改變形狀。此外，當金屬經歷相變時，紅外反射率會發生變化。因此，熔點（mp）可以透過成分來調節，從而使得液態金屬能夠用於調節紅外反射率。
在這項工作中，作者展示了一種由分散在有機矽彈性體（Ecoflex）薄膜中的共晶鎵銦（EGaIn）液滴組成的仿生多層結構，該結構透過調整紅外反射率來實作紅外調制。封裝的EGaIn液滴用作紅外調制的「黑色素細胞」，可以透過響應應變將其形狀從球形變為薄片來調節反射率（圖1b）。結果顯示，Ecoflex基質作為「激素」，在機械應變下驅動EGaIn液滴的變形。在拉伸之前，球形EGaIn液滴的散射和Ecoflex基質對紅外的吸收會導致低紅外反射率狀態。拉伸後，重疊的EGaIn薄片具有金屬光澤，從而形成高紅外反射率狀態，從而實作了基於鏡面反射率的全反射率和紅外偽裝，這是在以前的工作中需要聚合物的褶皺表面來調節鏡面紅外反射率。
圖1：雙層Ecoflex/EGaIn薄膜（BLEE）的概念和仿生設計以實作紅外調制。
基於全反射率的紅外偽裝
作者將BLEE放在熱板上模擬高溫物體（圖2a），評估了具有特定Ecoflex/EGaIn質素比的BLEE薄膜的紅外偽裝效能（紅外總反射率）。透過改變Ecoflex/EGaIn質素比和應變值，實作了紅外反射率的調節。圖2b、c描述了表觀溫度與等應變之間的關系，隨著等應變和EGaIn濃度的增加，表觀溫度降低。因此，本研究中的BLEE薄膜可以實作近44.8%的總反射率變化（從29.8%到74.6%），並將高溫物體（76℃）的表觀溫度降低34.5 ℃。結果表明，應變值為1500%的BLEE薄膜的表觀溫度與熱板溫度成線性關系，這表明特定BLEE薄膜的紅外反射率始終保持與物體溫度變化相同。
圖2：基於全反射率的紅外偽裝效能、反射光譜和力學效能。
基於鏡面反射的紅外偽裝
為了評估鏡面反射情況下的紅外偽裝效能，使用一個熱板作為紅外光源，並將其置於樣品的左側（圖3a）。BLEE薄膜的紅外影像顯示，隨著EGaIn濃度或施加的等面積應變的增加，表觀溫度更高（圖3b）。同樣，為了獲得表觀溫度與質素比或等應變之間的直觀關系，圖3c中繪制了從圖3b的紅外影像中采樣的溫度曲線。僅改變應變，鏡面反射率變化了61.2%，表觀溫度變化了近21.2°C，這是基於鏡面反射率的紅外偽裝的最高值之一。為了深入了解實驗結果的機理，作者對BLEE薄膜的鏡面反射率進行了測量和分析。
值得註意的是，在施加1500%的等面積應變後，不僅BLEE薄膜的鏡面反射率沒有發生變化，總反射率也沒有增加（圖3e）。值得註意的是，在施加1500%的面積應變後，不僅鏡面反射率隨著EGaIn 比例的增加而呈上升趨勢，而且鏡面反射率占總反射率的比例也在增加。在質素比為1:10的BLEE薄膜的鏡面反射率占總反射率的最大比例為95%，這使得鏡面反射率的變化接近 61.2%，是目前所報道的最高值之一。
圖3：基於光譜反射的紅外偽裝效能、光譜反射光譜和表面形貌。
多種紅外調節模式
研究顯示，有三個參數會影響這些材料的紅外特性：（1）等應變；（2）質素比；（3）溫度。關於等應變，已經證明施加特定的等應變是調節BLEE薄膜紅外全反射率的重要工具之一。同時，Ecoflex/EgaIn的質素比是調整紅外總反射率的主要因素之一。只需將具有特定紅外反射率的部件組裝成圖案，紅外攝影機中就會出現各種假色。為了評估不同溫度下圖案的假色，紅外影像中刻度條的最高溫度和最低溫度之差被設定為相同。透過套用相同的面積應變，顏色隨著熱板溫度的升高而變化。特別是，隨著熱板溫度的升高，色差變得更大。
圖4：基於應變和質素比控制實作以及編碼/解碼。
液態和固態金屬顆粒的紅外行為各不相同。因此，可以調整金屬合金的成分，進而調整熔點，以設定隨溫度變化的紅外響應。作者引入了不同的合金來改變 mp，從而在固態金屬和液態金屬之間實作不同的紅外反射率。具體來說，考慮到合金的mp不同，作者設計了一個三角形圖案，其中每個角都由特定合金制成。隨著熱板溫度的升高，熔點低於熱板溫度的合金部份發生了相變，但熔點較高的合金部份仍保持固態。因此，在紅外影像中，邊角的顏色隨加熱溫度的變化而變化。這種系統不僅顯示了可編程紅外繪畫的潛力，而且在防偽和人機互動方面也有廣泛的套用。
圖5：溫度控制以實作紅外噴塗和書寫。
多層結構設計
在以往的研究中，紅外加密材料和系統通常采用二維設計，僅透過反復調整像素化驅動器陣列來實作二維紅外調制和紅外顯示。在這項工作中，作者展示了紅外調制系統的多層結構設計，以增強紅外加密系統的多樣性，並減少其對多個驅動器的依賴。其中包括金、鋁和銅在內的金屬通常被蒸發在聚合物薄膜上，並被廣泛用作紅外調節材料。與基於蒸發金屬薄膜的紅外調節材料相比，本文的BLEE薄膜具有獨特的優勢，例如液態金屬比例取決於紅外反射率、不同的低熔點合金可實作可編程紅外顯示，以及透過將BLEE薄膜與蒸發金屬薄膜結合在一起實作多層結構設計，從而獲得更復雜的紅外圖案。蒸發金屬/聚合物薄膜在不施加面積應變的情況下具有很高的紅外反射率，但在拉伸後反射率會降低。拉伸會破壞連續的金屬膜，暴露出底層聚合物。換句話說，反射率會隨著應變的增加而降低，而此處的薄膜則會隨著應變的增加而提高反射率。
圖6：基於EGaIn的可編程紅外加密膜的多層結構設計。
此外，為了進一步增強紅外加密的多樣性，設計了不同質素比的Ecoflex/EGaIn金膜和 BLEE膜，並將其沿z方向（平面外）堆疊，如圖7a所示。隨著面積應變的增加，金膜的紅外反射率降低，而BLEE-1:2和BLEE1:6薄膜的反射率持續上升。值得註意的是，BLEE-1:2 和BLEE-1:6薄膜分別在525%和178%的不同等距應變下出現了清晰的圖案並被紅外相機捕獲。根據多層紅外調制方法，可以設計出可編程的紅外莫爾斯編碼。例如，在四個預先設計好的多層紅外反射樣本上套用了五種不同的面積應變（0%、178%、334%、525% 和 751%）。值得註意的是，解密過程的關鍵需要在預先確定的等距應變（0%、334% 和 751%）下從紅外影像中提取資訊。
圖7：可編程紅外莫爾斯電碼技術的演示。
結論展望
綜上所述，本文報道了一種具有多種紅外反射調節模式的液態金屬基紅外調節材料和系統，透過使用嵌入矽樹脂彈性體薄膜中的可拉伸液態金屬微滴，動態改變材料的紅外反射率。受變色龍皮膚動態特性的啟發，液態金屬微滴被用作可變形的 "黑色素細胞"，以調節紅外反射率的強度，並改變透過紅外攝影機觀察到的假色。同時，還采用了多種紅外調節模式，包括施加不同的面積應變、設計Ecoflex/EGaIn的特定質素比和改變周圍溫度，以編碼/解碼可見光和紅外模式之間的資訊，實作紅外繪畫/書寫。此外，還開發了一種多層設計的紅外調制系統，以增加紅外加密模式的多樣性，提高資訊的可讀性。
作者簡介
鄧濤 ，上海交通大學材料科學與工程學院「致遠」講席教授，中組部特聘專家，科技部十三五材料重點專項專家組成員。本科畢業於中國科學技術大學（1996），博士畢業於美國哈佛大學（2001），在美國麻省理工學院完成博士後研究後於2003年進入美國通用電氣公司全球研發總部工作。在Science、 Nature Energy、Nature Photonics、Nature Communications，Proceedings of the National Academy of Sciences of the US、Advanced Materials、Journal of American Society of Chemistry等期刊上發表多篇高水平論文。目前任國際材料聯合會執行委員，中國材料學會理事及理事會外事委員會委員，國際仿生材料會議學術委員會委員，及國際期刊Chemical Reviews (化學綜述)副主編，Progress in Natural Science和【中國材料進展】的編委。
文獻資訊
Yingyue Zhang, Hanrui Zhu, Shun An, Wenkui Xing, Benwei Fu, Peng Tao, Wen Shang, Jianbo Wu, Michael D. Dickey, Chengyi Song, Tao Deng, Chameleon-inspired tunable multi-layered infrared-modulating system via stretchable liquid metal microdroplets in elastomer film , Nature Communications , https://doi.org/10.1038/s41467-024-49849-y
來源： https://www.163.com/dy/article/HLVUT3CB0525CGSH.html
