據麥姆斯咨詢報道，近日，印度科學研究所（Indian Institute of Science，簡稱“IISc”）的研究團隊開發出一種柔性可調諧彩色薄膜，該薄膜不需要任何顏料，僅憑其物理結構的變化就可呈現出明亮的顏色。當其被拉伸時，薄膜的顏色隨著機械變形而發生變化。

為了設計出這類可調諧薄膜，研究團隊首先開發了一種高成本效益的新型可擴展單步工藝技術，該技術的核心是蒸發金屬鎵（Ga），以在柔性襯底上形成納米顆粒。該方法可同時制造能夠響應機械刺激的多種結構色。

印度科學研究所的研究團隊還展示了這類可調諧薄膜的各種應用案例，從智能繃帶、運動傳感器到反射式顯示器等。

上述研究工作以“Single-step fabrication of liquid gallium nanoparticles via capillary interaction for dynamic structural colours”為題發表在Nature Nanotechnology期刊上，論文的通訊作者、印度科學研究所儀器與應用物理系（IAP）的助理教授Tapajyoti Das Gupta說：“這是像鎵這樣的液態金屬第一次被用于光子學領域。”

一些自然物體，例如寶石、軟體動物殼或孔雀羽毛等，天生就是五顏六色的。它們的顏色來自于光與周期性陣列的微米或納米結構的相互作用，比如蛋白石中的微小二氧化硅球體、軟體動物殼中的碳酸鈣基血小板、孔雀羽毛中圓柱形結構頂部的分段帶狀物等。

受大自然啟發的結構色材料在顯示器、可穿戴電子產品、視覺傳感器和防偽標簽等領域得到了廣泛的應用。近年來，科學家們一直在嘗試設計能夠隨著外部機械刺激而改變顏色的材料。

印度科學研究所的研究團隊開始用金屬鎵進行實驗，但是，因為鎵的高表面張力阻礙了納米顆粒的形成，所以在此之前，鎵并沒觸及這種應用。鎵在室溫下是一種液態金屬，已有研究證明，其納米顆粒與電磁輻射有很強的相互作用。

該研究團隊開發的工藝，巧妙地利用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）這種生物相容性聚合物襯底的特性，克服了表面張力的障礙，創造出了鎵納米顆粒。

當PDMS襯底被拉伸時，研究團隊注意到一些不尋常的事情。隨著不同應變的發生，材料開始顯示出不同的顏色。研究團隊推測，沉積的鎵納米顆粒陣列以特定的方式與光相互作用，從而產生不同的顏色。為了分析PDMS襯底在顏色變化中起到的作用，該研究團隊還建立了一個數學模型。

PDMS是一種聚合物，由兩種液態狀成分——低聚物和交聯劑——混合并相互反應形成固體聚合物。該研究團隊發現，未反應的低聚物部分，仍處于液態，在穩定的襯底上，對于鎵納米顆粒的形成起著至關重要的作用。

當PDMS襯底被拉伸時，液態狀的低聚物滲入納米顆粒之間的間隙，改變間隙的大小和它們與光的相互作用，導致觀察到的顏色也發生了變化。在實驗室進行的實驗證實了該研究團隊對數學模型的預測。通過調整低聚物含量與交聯劑的比例，研究團隊獲得了各種顏色調諧范圍。

上述論文的主要作者、博士生Renu Raman Sahu說：“我們發現，PDMS襯底不僅在結構上保持穩定，而且在決定鎵納米顆粒的結構和由此產生的顏色方面也起著積極作用。即使經過8萬次的拉伸，該材料仍然能夠顯示出可重復的顏色變化，這證實了其可靠性?！?/p>

傳統的技術（例如光刻）用于制造這類材料涉及的工藝步驟繁多，想要擴大規模更加需要很高的成本。為了解決這個問題，該研究團隊設計了一種單步物理氣相沉積（PVD）技術，蒸發液態鎵金屬并將其沉積在PDMS襯底上。這使他們能夠制造出柔性結構色薄膜，尺寸約為手掌的一半。

這種薄膜有多種潛在的應用。該研究團隊展示了人體運動傳感器的應用：當將一段薄膜附著在手指上時，隨著手指的彎曲，它的顏色也發生變化，這有助于實時感知運動。Renu Raman Sahu表示：“在未來，該薄膜材料也可以用于能量收集應用?！?/p>

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-024-01625-1