可编程微流控器件实现覆盖可见光和红外光谱的动态多波段伪装

某些动物改变外貌的能力在捕食、自我保护等生理行为中发挥着多种功能的作用。几个世纪以来，这种能力令人类着迷，并激发了伪装材料和伪装器件的发展。目前，等离子体纳米点阵列、响应性光子晶体和多层热致变色液晶等材料已被设计用于选择性地反射可见光谱中的光以改变其颜色并使其融入背景中；而电致变色器件、热致变色材料和机械致变色系统可以动态地改变其红外发射率以响应环境温度的变化。然而，对于所有这些光学操纵技术，一个普遍的挑战是调谐范围。在可见光方面，很难实现无色差的充分可调颜色；而由于材料对外场响应的限制，较大的红外调谐范围也难以实现。此外，同时覆盖可见光和红外光谱的多波段伪装更难实现，因为视觉颜色调谐依赖于频率操纵，而红外光谱调谐依赖于强度变化。

光流控技术利用光-流体之间的相互作用来实现流体流动或光学操纵，用于光调谐和传感等在内的不同应用。微流控作为一种伪装和显示技术，与现有的电致变色、机械致变色和热致变色方法相比，具有两个明显的优势。首先，由于流体置换引起的高光学指数对比度，可以实现充分的颜色切换。其次，流体中含有溶质或颗粒以及溶剂，这为不同光谱波段的需求提供了双功能调制的可能性。

据麦姆斯咨询报道，近期，武汉大学动力与机械学院的研究人员提出了一种微流控策略，采用多层流控结构和双功能流体在可见光和红外波段实现了动态伪装。此外，该研究以纺织品形式制作了微流控器件，并展示了其在全波段高光谱范围内匹配不同季节叶片的能力，显示了可编程微流控技术在自适应伪装、宽带显示和主动热管理方面的应用潜力。

如图1a所示，该可编程微流控器件由具有染料分子和在红外波段处于半透明状态的溶剂的多层流体组成。在每一层流体中，可见光通过染料分子中的电子激发被选择性吸收，而红外光通过溶剂中的分子振动被部分吸收。通过这种分立机制，该微流控器件提供了一种在可见光和红外光之间互不干扰的情况下操纵它们的方法。

图1 微流控薄膜的光调制原理和结构

该研究工作测试了具有三种原色：红色、黄色和蓝色的微流控薄膜器件的颜色调节能力（图2）。为了简单和易于编码，使用（a, b, c）的数组来表示器件顶层、中层和底层的流体状态。每个字母都有一个可选值0、1、2或3。其中，0代表没有液体，1、2和3分别代表红色、黄色和蓝色液体。如图2a所示，（1, 0, 0）、（0, 2, 0）和（0, 0, 3）状态分别代表了原始的红色、黄色和蓝色。此外，可以通过堆叠相同的流体来调整原色的亮度。在（0, 0, 0）、（1, 2, 0）、（0, 2, 3）、（1, 0, 3）和（1, 2, 3）的状态下，还获得了白色、橙色、绿色、紫色和棕色。与使用染料混合物的传统颜色混合不同，这种方法在没有染料混合的情况下利用器件每一层的光减法，从而实现更容易的可逆颜色操作。该微流控薄膜器件在不同状态下的实测反射光谱如图2b所示。基于这些光谱，研究人员计算了每种颜色的色度，结果如图2c所示，涵盖了广泛的颜色范围，并且可以通过添加微通道层进一步扩大所获得的颜色范围。

图2 利用微流控薄膜器件在不同填充状态下获取到的可见光颜色

随后，研究人员对微流控器件的红外光操纵性能进行了研究。如图3a所示，在相同的60℃温度下，不同填充状态下该微流控薄膜的红外图像明显不同。通过调整红外相机的发射率，直到薄膜显示真实温度（60°C），从而获得了薄膜的发射率。如图3c所示，随着填充状态的不同，薄膜的发射率从0.42增加到了0.90。为了确认结果，研究人员测量了薄膜的反射光谱。如图3b所示，反射光谱的形状几乎相同，但光谱强度不同。通过对相对于黑体辐射的波长的光谱吸收辐射进行积分，研究人员获得了薄膜在7.5 μm~14 μm的大气透明窗口中的综合发射率。结果与热像仪测量值非常吻合（图3c）。

图3 微流控薄膜器件的红外操纵性能

鉴于该微流控薄膜器件对可见光和红外光谱的可调谐性能，研究人员展示了该薄膜在可见光和红外伪装中的应用潜力。如图4a所示，将尺寸为2.5 cm × 2.5 cm的微流控薄膜贴附在温度为60℃的白色陶瓷加热器上。将加热器在人造背景（背景颜色依次从白色变为黄色、绿色和棕色）上移动，并使用数码相机和红外相机捕捉加热器的可见光和红外图像。如图4b、4c所示，加热器自适应地改变其颜色以匹配可见光和红外成像中的不同背景，实现了动态可见光和中红外伪装。而对于没有微流控薄膜的加热器，两台相机都清楚地捕捉到了移动的加热器。

图4 微流控薄膜器件的动态可见光和红外伪装

为了展示该微流控薄膜器件的应用潜力，研究人员进一步将薄膜制成纺织品形式（图5a）。在400 nm~2500 nm的太阳辐射光谱范围内，将该微流控纺织品用于地面高光谱伪装。自然树叶作为一种常见的地面植被，具有复杂的光学特性，因此，该研究将自然树叶作为背景。该研究设计了两层纺织品来模拟树叶的反射光谱。上面一层彩色水用于可见彩色显示，下面一层灰色水用于反射强度调制。底部放置白纸以增强反射强度。如图5e、5f所示，填充了设计液体的纺织品不仅颜色与绿叶非常相似，而且反射光谱也相似。通过改变纺织品内部的液体，颜色和光谱立即改变为接近黄叶的颜色和光谱，这表明伪装薄膜对自然环境中季节或位置变化的适应性。

图5 微流控纺织品在400 nm~2500 nm的高光谱伪装性能

综上所述，该研究开发了一种具有多层流控结构和双功能流体的可编程微流控器件，该器件可以在三种原色流体输入的情况下动态显示几乎整个可见光和发射率在0.42至0.90范围内的红外光谱波段。这种能力使该微流控器件在可见光和中红外伪装方面都具有应用潜力。此外，该研究以纺织形式制造了微流控薄膜，用于扩大应用。该微流控纺织品具有专门设计的流体和堆叠结构，可以在包括可见光到近红外波段的全光谱范围内动态匹配叶片的反射率。考虑到其宽波段和精细的光调制性能，该可编程微流控器件可能为跨多波段电磁频谱的智能光学表面开辟新的途径，并在自适应伪装、宽带显示和主动热管理等应用领域具有巨大潜力。

审核编辑：刘清