可編程微流控器件實(shí)現(xiàn)覆蓋可見光和紅外光譜的動(dòng)態(tài)多波段偽裝

某些動(dòng)物改變外貌的能力在捕食、自我保護(hù)等生理行為中發(fā)揮著多種功能的作用。幾個(gè)世紀(jì)以來，這種能力令人類著迷，并激發(fā)了偽裝材料和偽裝器件的發(fā)展。目前，等離子體納米點(diǎn)陣列、響應(yīng)性光子晶體和多層熱致變色液晶等材料已被設(shè)計(jì)用于選擇性地反射可見光譜中的光以改變其顏色并使其融入背景中；而電致變色器件、熱致變色材料和機(jī)械致變色系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地改變其紅外發(fā)射率以響應(yīng)環(huán)境溫度的變化。然而，對(duì)于所有這些光學(xué)操縱技術(shù)，一個(gè)普遍的挑戰(zhàn)是調(diào)諧范圍。在可見光方面，很難實(shí)現(xiàn)無色差的充分可調(diào)顏色；而由于材料對(duì)外場(chǎng)響應(yīng)的限制，較大的紅外調(diào)諧范圍也難以實(shí)現(xiàn)。此外，同時(shí)覆蓋可見光和紅外光譜的多波段偽裝更難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐曈X顏色調(diào)諧依賴于頻率操縱，而紅外光譜調(diào)諧依賴于強(qiáng)度變化。

光流控技術(shù)利用光-流體之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)流體流動(dòng)或光學(xué)操縱，用于光調(diào)諧和傳感等在內(nèi)的不同應(yīng)用。微流控作為一種偽裝和顯示技術(shù)，與現(xiàn)有的電致變色、機(jī)械致變色和熱致變色方法相比，具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，由于流體置換引起的高光學(xué)指數(shù)對(duì)比度，可以實(shí)現(xiàn)充分的顏色切換。其次，流體中含有溶質(zhì)或顆粒以及溶劑，這為不同光譜波段的需求提供了雙功能調(diào)制的可能性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院的研究人員提出了一種微流控策略，采用多層流控結(jié)構(gòu)和雙功能流體在可見光和紅外波段實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)偽裝。此外，該研究以紡織品形式制作了微流控器件，并展示了其在全波段高光譜范圍內(nèi)匹配不同季節(jié)葉片的能力，顯示了可編程微流控技術(shù)在自適應(yīng)偽裝、寬帶顯示和主動(dòng)熱管理方面的應(yīng)用潛力。

如圖1a所示，該可編程微流控器件由具有染料分子和在紅外波段處于半透明狀態(tài)的溶劑的多層流體組成。在每一層流體中，可見光通過染料分子中的電子激發(fā)被選擇性吸收，而紅外光通過溶劑中的分子振動(dòng)被部分吸收。通過這種分立機(jī)制，該微流控器件提供了一種在可見光和紅外光之間互不干擾的情況下操縱它們的方法。

圖1 微流控薄膜的光調(diào)制原理和結(jié)構(gòu)

該研究工作測(cè)試了具有三種原色：紅色、黃色和藍(lán)色的微流控薄膜器件的顏色調(diào)節(jié)能力（圖2）。為了簡(jiǎn)單和易于編碼，使用（a, b, c）的數(shù)組來表示器件頂層、中層和底層的流體狀態(tài)。每個(gè)字母都有一個(gè)可選值0、1、2或3。其中，0代表沒有液體，1、2和3分別代表紅色、黃色和藍(lán)色液體。如圖2a所示，（1, 0, 0）、（0, 2, 0）和（0, 0, 3）狀態(tài)分別代表了原始的紅色、黃色和藍(lán)色。此外，可以通過堆疊相同的流體來調(diào)整原色的亮度。在（0, 0, 0）、（1, 2, 0）、（0, 2, 3）、（1, 0, 3）和（1, 2, 3）的狀態(tài)下，還獲得了白色、橙色、綠色、紫色和棕色。與使用染料混合物的傳統(tǒng)顏色混合不同，這種方法在沒有染料混合的情況下利用器件每一層的光減法，從而實(shí)現(xiàn)更容易的可逆顏色操作。該微流控薄膜器件在不同狀態(tài)下的實(shí)測(cè)反射光譜如圖2b所示?；谶@些光譜，研究人員計(jì)算了每種顏色的色度，結(jié)果如圖2c所示，涵蓋了廣泛的顏色范圍，并且可以通過添加微通道層進(jìn)一步擴(kuò)大所獲得的顏色范圍。

圖2 利用微流控薄膜器件在不同填充狀態(tài)下獲取到的可見光顏色

隨后，研究人員對(duì)微流控器件的紅外光操縱性能進(jìn)行了研究。如圖3a所示，在相同的60℃溫度下，不同填充狀態(tài)下該微流控薄膜的紅外圖像明顯不同。通過調(diào)整紅外相機(jī)的發(fā)射率，直到薄膜顯示真實(shí)溫度（60°C），從而獲得了薄膜的發(fā)射率。如圖3c所示，隨著填充狀態(tài)的不同，薄膜的發(fā)射率從0.42增加到了0.90。為了確認(rèn)結(jié)果，研究人員測(cè)量了薄膜的反射光譜。如圖3b所示，反射光譜的形狀幾乎相同，但光譜強(qiáng)度不同。通過對(duì)相對(duì)于黑體輻射的波長(zhǎng)的光譜吸收輻射進(jìn)行積分，研究人員獲得了薄膜在7.5 μm~14 μm的大氣透明窗口中的綜合發(fā)射率。結(jié)果與熱像儀測(cè)量值非常吻合（圖3c）。

圖3 微流控薄膜器件的紅外操縱性能

鑒于該微流控薄膜器件對(duì)可見光和紅外光譜的可調(diào)諧性能，研究人員展示了該薄膜在可見光和紅外偽裝中的應(yīng)用潛力。如圖4a所示，將尺寸為2.5 cm × 2.5 cm的微流控薄膜貼附在溫度為60℃的白色陶瓷加熱器上。將加熱器在人造背景（背景顏色依次從白色變?yōu)辄S色、綠色和棕色）上移動(dòng)，并使用數(shù)碼相機(jī)和紅外相機(jī)捕捉加熱器的可見光和紅外圖像。如圖4b、4c所示，加熱器自適應(yīng)地改變其顏色以匹配可見光和紅外成像中的不同背景，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可見光和中紅外偽裝。而對(duì)于沒有微流控薄膜的加熱器，兩臺(tái)相機(jī)都清楚地捕捉到了移動(dòng)的加熱器。

圖4 微流控薄膜器件的動(dòng)態(tài)可見光和紅外偽裝

為了展示該微流控薄膜器件的應(yīng)用潛力，研究人員進(jìn)一步將薄膜制成紡織品形式（圖5a）。在400 nm~2500 nm的太陽(yáng)輻射光譜范圍內(nèi)，將該微流控紡織品用于地面高光譜偽裝。自然樹葉作為一種常見的地面植被，具有復(fù)雜的光學(xué)特性，因此，該研究將自然樹葉作為背景。該研究設(shè)計(jì)了兩層紡織品來模擬樹葉的反射光譜。上面一層彩色水用于可見彩色顯示，下面一層灰色水用于反射強(qiáng)度調(diào)制。底部放置白紙以增強(qiáng)反射強(qiáng)度。如圖5e、5f所示，填充了設(shè)計(jì)液體的紡織品不僅顏色與綠葉非常相似，而且反射光譜也相似。通過改變紡織品內(nèi)部的液體，顏色和光譜立即改變?yōu)榻咏S葉的顏色和光譜，這表明偽裝薄膜對(duì)自然環(huán)境中季節(jié)或位置變化的適應(yīng)性。

圖5 微流控紡織品在400 nm~2500 nm的高光譜偽裝性能

綜上所述，該研究開發(fā)了一種具有多層流控結(jié)構(gòu)和雙功能流體的可編程微流控器件，該器件可以在三種原色流體輸入的情況下動(dòng)態(tài)顯示幾乎整個(gè)可見光和發(fā)射率在0.42至0.90范圍內(nèi)的紅外光譜波段。這種能力使該微流控器件在可見光和中紅外偽裝方面都具有應(yīng)用潛力。此外，該研究以紡織形式制造了微流控薄膜，用于擴(kuò)大應(yīng)用。該微流控紡織品具有專門設(shè)計(jì)的流體和堆疊結(jié)構(gòu)，可以在包括可見光到近紅外波段的全光譜范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)匹配葉片的反射率。考慮到其寬波段和精細(xì)的光調(diào)制性能，該可編程微流控器件可能為跨多波段電磁頻譜的智能光學(xué)表面開辟新的途徑，并在自適應(yīng)偽裝、寬帶顯示和主動(dòng)熱管理等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。

審核編輯：劉清