這新材料不光紅外“隱身”，還有更多妙用

科學家從烏賊等“偽裝大師”身上獲得靈感，設計了一種可自適應反射紅外線的彈性新材料，動態調節有效溫度從而在紅外線下“隱身”。相關論文發表于Science 雜志，第一作者是UCI教授Alon Gorodetsky博士生徐誠繹（中國科大08級少年班）。????

一提到隱身衣，很多人會想到哈利?波特擁有的一件隱身斗篷，只要披上它，就會讓你從別人眼中瞬間消失。哈利?波特的隱身衣是死亡圣器中的三件套之一，是傳說中三兄弟之一佩弗利爾流傳下來的。

圖片來源：電影《哈利?波特》

不過，就算這種魔法隱身斗篷，也不能讓人類完全無跡可尋。紅外成像，也稱熱成像，通過探測紅外線波長來檢測目標與環境的溫度差異，并將其轉換成肉眼可見的圖像。如果用上紅外成像，只要是體溫正常的活人，就算隱藏的再好都得原形畢露。考眼力的時候到了，看下圖，能找到其中隱藏的人么？

如果用上紅外成像，就簡單很多了。

那么，在紅外成像下如何“隱身”呢？日前，美國加州大學歐文分校（UCI）Alon Gorodetsky教授課題組從烏賊等自然界“偽裝大師”身上獲得靈感，設計了一種可自適應反射紅外線的彈性新材料，動態調節有效溫度從而在紅外線下“隱身”。當然，在紅外線下“隱身”只是其應用之一，這種新材料還有希望用于航空航天、搶險救災、臨床護理、可穿戴設備、智能建筑等等多個領域。相關論文發表于Science 雜志，第一作者是Alon Gorodetsky教授課題組博士生徐誠繹（中國科大08級少年班）。

Alon Gorodetsky教授（左）和一作Chengyi Xu（右）。圖片來源：UCI ^[1]

這種新材料的紅外“隱身”原理并不復雜，但說起來容易做起來難。該團隊第一個要解決的問題就是如何實現動態調節。研究者需要的材料需要具有自適應特征，即精確、敏感、實時地響應周圍環境的變化。迄今為止，只有很少的自適應紅外系統被報道，無一例外需要嚴格的條件和苛刻的技術指標。在生物界，烏賊等頭足類動物皮膚在數百毫秒就可改變顏色和圖案并融入環境，堪稱“偽裝大師”（下圖A/B）。與一些人類“大師”一樣，這些頭足類“大師”的神奇手段也不是什么超自然力量。它們柔軟彈性的皮膚上存在包含眾多色素顆粒的色素細胞和反射光線的虹彩細胞（iridocytes），前者可通過伸縮來吸收和反射特定波長的可見光（下圖C），而后者通過改變細胞表面的包膜蛋白質層及胞外空間來調節細胞微形貌和折射率（下圖D），從而實現偽裝。

烏賊偽裝變色的原理。圖片來源：Science

受此啟發，研究者設計了一種基于介電彈性體致動器的新結構體系，包括可傳導質子的底電極、介電彈性體膜、可傳導質子的頂電極和紅外反射涂層（下圖E/F）。隨著致動開始和結束，介電彈性體膜會伸展和恢復，使得紅外反射活性區域面積變大和復原（下圖E），這就好似烏賊皮膚上的色素細胞；而且紅外反射涂層的表面形貌也會相應發生變化（下圖F），這就好似烏賊的虹彩細胞。

自適應紅外反射材料設計原理示意圖。圖片來源：Science

接下來就該驗證想法是否可行了。Chengyi Xu說，“這可不容易，特別是在我們學習如何使用那些粘性材料的第一個階段。”經過試錯過程的數千次嘗試之后，他們終于成功構建了具有自適應紅外反射性質的材料結構。^[1] 在機械力致動情況下，褶皺的表面可以變的平整，紅外反射活性區域面積變大，由此可以改變材料的紅外反射特性，而且該過程完全可逆。

機械調控下的反射性質變化（A）及數碼相機（B）、光學顯微鏡（C）和掃描電鏡（D）下的形貌變化。圖片來源：Science

隨后，研究者不滿足于機械力刺激，他們使用電刺激也實現了紅外反射調控。通過施加電壓，可以觸發介電彈性體膜厚度和面積的改變，使其變大變平。這就改變了材料表面的紅外反射性質，而且該過程一樣可逆。此種材料的形變程度與外加電壓有關，當電壓在3.5千伏附近時，最大應變約為230%。同時，面應變還依賴于所施加電壓的頻率。

材料的電學性能。圖片來源：Science