轻轻一压，拓宽结构色视角：UMass与剑桥团队源自花瓣的启发

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某些花瓣（如木槿花，Hibiscus Trionum）表面的角质层会在隆起的表皮细胞上形成微纳米多级结构。这些多级结构可以产生广角结构色从而提高传粉媒介（蜜蜂、蝴蝶等）的觅食效率。尽管诸多研究已经致力于模仿这种独特的广角结构色，在人工模型中仍缺乏天然花瓣所固有的可调性来控制结构色的光谱。

在美国马萨诸塞大学安姆斯特(UMass Amherst)的Crosby研究组工作的陈超博士后与英国剑桥大学合作，开发了一种基于多级褶皱力学的光学结构，实现了对结构色可观察角度的主动调控。定量的激光干涉实验表明，结构色角度的可观察宽度由所施加的力学变形主动控制。该多级光学结构中较小的褶皱控制着光学干涉，而较大的褶皱可以扩展干涉的可观察角度。实验和理论发现，该广角结构色的多级褶皱仅能在有限条件下形成。若缺失具有干涉效果的小褶皱，单一的大褶皱不会显示结构色。对褶皱模式的控制模仿了花瓣的可调节性，从而为理解自然系统表面形貌的形成提供了新的认识，并为可调结构色的控制提供了坚实的基础。

图1. 多级形貌扩展结构色可观察范围的机理示意图

结构色源于微纳米结构的光学干涉。干涉光的波长受控于微纳米结构的间距、入射角度和接收角度。因此，特定波长的结构色的可观察角度通常是离散的。从肥皂泡到光盘，结构色在日常生活中无处不在。在动物界，某些昆虫、鸟类和爬行动物进化出微纳米结构产生结构色用于信号传递、热调节和伪装；在植物界，某些花瓣、叶子和果实上也发现了结构色。令人惊讶的是，自然界的许多结构色呈现出较弱的角度依赖性。著名的大蓝蝶的翅膀背面，惊艳的蓝色结构色几乎像颜料一样独立于观察视角。在木槿的花瓣上也发现了具有较宽的可观察视角的广角结构色（图2a,b中花瓣的深色区域）。之前的研究已显示这种独特的光谱可增强传粉媒介（昆虫等）的觅食效率。在过去的十年中，广角结构色材料的仿生设计已经出现在涂料、反射显示器、光学传感器、能量收集和广告领域，但缺乏天然生物材料所具备的可调控性。

图2. 具有广角结构色的木槿花瓣和表面的多级结构

广角结构色源于多级微结构的复杂光学干涉。例如，木槿花瓣上的角质层在膨大的表皮细胞上形成微纳米褶皱（图2c，d）。这些褶皱的光学干涉形成了广角结构色。同时，弯曲的表皮细胞基底虽不会与光产生干涉，但会使微纳米褶皱所在的表面发生倾斜，从而拓宽结构上的可观察角度（图1b）。另外，木槿的结构色仅限于形成褶皱的花瓣根部（图2b中的深色区域）而缺乏褶皱的花瓣远端是没有结构色的（图2b中的浅色区域）。该现象也预示着花瓣还存在控制表皮起皱与否的潜在途径。近期其他的研究通过对预先蚀刻的纳米光栅的薄膜起皱，模仿郁金香花瓣的广角结构色。但是，这些研究没有集成自然系统所固有的多级结构形成机制，因而限制了结构色的可调控性。

近日，陈超博士后所在的美国马萨诸塞大学安姆斯特(UMass Amherst)的Crosby研究组与英国剑桥大学植物学领域的Glover研究组合作，从花瓣结构色汲取灵感，用高分子薄膜材料设计光学表面，使用逐层沉积的制备方法，通过定量控制薄膜的厚度和模量来精确调控多层薄膜系统的力学起褶，实现较大面积的复杂多级光学结构的制备，产生可力学调控的广角结构色。进一步的定量模型为该人工结构色系统及自然系统提供了新的见解。该研究于2020年10月26日以标题“Flower Inspiration: Broad-angle Structural Color through Tunable Hierarchical Wrinkles in Thin Film Multilayers”发表在先进功能材料 (Advanced Functional Materials)上。该研究受人类前沿科学计划（Human Frontier Science Program）资助，致力于理解生物表面形貌产生的普适物理机制。

图3. 薄膜表面形貌受压缩变形调控，以及相应的激光干涉信号

研究结果显示，该薄膜系统被压缩后，其表面显示出强烈的结构色，且定量的激光干涉实验量化了材料参数和力学变形对结构色光谱的影响（图3）。随着对薄膜的压缩，其表面首先形成单级的较小褶皱，产生窄角的激光干涉（图3b中33度角与60度角附近）。在更大变形下，薄膜发生二次起皱，形成可拓宽干涉角度的较大褶皱，干涉信号开始变宽。因此，干涉信号的宽度可精确地由薄膜表面褶皱结构的受力发展调控。

将软膜硬基地的起皱理论应用于多层复合材料中，可以定量预测起皱的临界条件和褶皱波长。该工作中对薄膜材料的力学特性和厚度的精确控制实现了对光学干涉和可视角度增宽的定量控制。其中，干涉信号的的中心角由经典的Bragg定律控制。同时，该研究的理论与实验结果显示，干涉信号的扩展角度由受压缩变形调控的大褶皱的高宽比控制（图3b）。

此外，实验和定量建模还发现，实现该广角结构色的多级褶皱仅能在有限条件下形成。当改变薄膜材料的软硬度或者厚度，有可能出现仅具有一个大波长的单级褶皱（图4）。这种形貌对材料性能的敏感性也体现在花瓣系统中：木槿花仅有近端部分会产生微结构显示结构色，而远端部分则不能。研究中的理论与数值模型提供了控制褶皱形态的定量关系，从而预测不同形貌之间的边界。该发现可指导用褶皱力学设计具有广角结构色的光学器械，并可用于定量理解具有该广角结构色的生物系统。

图4. 多级褶皱和单级褶皱以及其控制条件

本文的第一作者陈超为马萨诸塞大学安姆斯特(UMass Amherst)的博士后。他毕业于哈佛大学，以软材料力学为基础，从事高性能软材料的设计、基础柔性力学发展和软材料的力学仿生应用等研究。本文的通讯作者为马萨诸塞大学安姆斯特(UMass Amherst) 的Crosby教授。其研究组以高分子材料和力学为基础，致力于研究受自然启发的材料和工程设计。共同作者还有同校的R. Kanane Bay，现为普林斯顿大学博士后，以及剑桥大学植物系的Glover研究组 (Beverley J. Glover教授，Chiara A. Airoldi研究员，Carlos A. Lugo研究员) ，主要研究领域是吸引授粉动物的花卉特征的演变和发展。