力致隱-顯顏色變化技術實現防偽技術的升級

力致隱-顯顏色變化技術實現防偽技術的升級

在自然界中,有些動物在受到刺激後可以改變自己的顏色,以躲避敵人和捕食者。這一特性主要是由於動物身體表面微/納米結構對外部刺激響應的變化。研究者受這一自然現象的啟發,目前已開發出多種可根據外部刺激(例如機械力,生物力學致動,溫度,化學成分,電力和磁力)靈活地進行顏色變化的材料。這種特有的響應性意味著結構著色技術可能非常適合用於傳感器,機器人,智能窗戶和防偽等方面。

到目前為止,大多數具有結構著色特性的材料在外界刺激下能夠主動、靈活地顯示各種顏色。然而,實現隱-顯轉換顏色行為,特別是在透明狀態和有色狀態之間的切換,則更具挑戰性和吸引力。

基於此,韓國蔚山科技大學Kyungjun SongTaesung Kim共同報道瞭一種由圖案化噴墨打印的剛性SiO2納米顆粒(NP)和柔性聚二甲基矽氧烷(PDMS)組成的復合器件。由於PDMS和SiO2 NPs的光學特性相似,該器件在正常狀態下是完全透明的。但是,由於兩者之間的機械強度相差很大,在壓縮載荷下,器件表面產生屈曲型失穩,產生一維或二維褶皺陣列圖案。然後這些陣列充當多維光柵,根據觀察角度顯示各種結構上可切換的顏色。

SiO2-NPs/PDMS復合器件的構建

首先,以SiO2 NPs作為墨水,在玻璃基板上進行間隔為150 um的圖案化噴墨打印。每一滴墨水蒸發後會在玻璃基板上形成一個咖啡環狀的納米結構(圖1)。然後將PDMS灌註到這些納米結構中,以封裝圖案化的SiO2 NPs,待固化後將PDMS板剝離。由於PDMS和SiO2 NPs具有非常相似的折射率(即nSiO2 = 1.475, nPDMS = 1.43),SiO2-NP/PDMS復合器件外觀完全透明,即使在白色和藍色的背景上,印刷圖案也無法顯現。此外,SiO2-NP/PDMS復合器件具有高度的柔性,允許外界對器件施加多種機械刺激。

力致隱-顯顏色變化技術實現防偽技術的升級
圖1 SiO2-NPs/PDMS復合器件的制造過程

復合器件在不同外部刺激下的結構變色機制

SiO2-NPs /PDMS復合器件在正常狀態下是完全透明的(圖2a),一方面是因為SiO2和PDMS的反射指數值相似。另一方面是因為在正常狀態下咖啡環周圍周期性的皺紋圖案完全不存在,因此該器件不會產生光柵結構,也不會幹擾光線。但是當器件向內彎曲時就會出現“UNiST”徽標的彩色圖像(圖2b)。這是因為向內彎曲引起的壓縮力誘導SiO2-NPs/PDMS層狀復合表面沿y軸產生周期性的褶皺陣列,該陣列表現為一維衍射光柵,它將白光源分解為不同顏色的光譜(圖2e)。因此,當設備彎曲時,透明的 SiO2-NPs /PDMS復合器件顯示出彩虹色,顏色取決於觀察角度。相反,當器件向相反方向(向外)彎曲時,則不顯示任何顏色(圖2c)。這可能是由於SiO2-NPs/PDMS層狀復合表面在相反外力刺激下沒有產生褶皺陣列。作者通過研究發現在厚而軟的襯底/層表面(PDMS)上的薄而硬的薄膜/層(SiO2-NPs)在壓縮應力作用下能夠呈現波紋狀(圖2d),形成具有周期性的皺紋/圖案陣列。

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圖2 SiO2 NPs/PDMS復合器件的結構著色機理

隱-顯變色機制的應用

將向內彎曲的SiO2-NPs/PDMS復合器件旋轉90°時,彩虹色就會神奇的消失(圖3a)。這是因為沿y軸彎曲時皺紋為一維結構形式(向內)。光柵結構在旋轉後將入射光衍射成幾個不同方向的光束,這與光束間距和光波長密切相關。如果觀察角度位於沒有光束可以通過或多個光束可以通過的空間/區域之外,就會導致觀察的透明性。該特性使器件僅在特定角度范圍內顯示顏色,從而增強瞭信息的保密性,以滿足特定情況的需要。但是當給復合器件施加各向同性(2D)的壓力時,旋轉90°顏色仍然存在(圖3b),這是因為生成的褶皺從一維平行結構陣列變為二維發散結構陣列。基於此,作者應用該技術開發出瞭兩種隱蔽的防偽技術,在不同方向的壓縮彎曲作用下,可以分別顯示出正反面打印的笑臉圖案(圖3c);也可以有選擇地將隱藏的、透明的二維碼圖案轉化為明顯的二維碼圖案,並通過普通手機對二維碼進行解碼,直接進入預定網站(圖3d)。

力致隱-顯顏色變化技術實現防偽技術的升級
圖3 將結構著色技術應用於多維顯示和反幹擾技術

本文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001467

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