印度开发出一种用于显示器和传感器的可调谐彩色薄膜

据麦姆斯咨询报道，近日，印度科学研究所（Indian Institute of Science，简称“IISc”）的研究团队开发出一种柔性可调谐彩色薄膜，该薄膜不需要任何颜料，仅凭其物理结构的变化就可呈现出明亮的颜色。当其被拉伸时，薄膜的颜色随着机械变形而发生变化。

为了设计出这类可调谐薄膜，研究团队首先开发了一种高成本效益的新型可扩展单步工艺技术，该技术的核心是蒸发金属镓（Ga），以在柔性衬底上形成纳米颗粒。该方法可同时制造能够响应机械刺激的多种结构色。

印度科学研究所的研究团队还展示了这类可调谐薄膜的各种应用案例，从智能绷带、运动传感器到反射式显示器等。

上述研究工作以“Single-step fabrication of liquid gallium nanoparticles via capillary interaction for dynamic structural colours”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上，论文的通讯作者、印度科学研究所仪器与应用物理系（IAP）的助理教授Tapajyoti Das Gupta说：“这是像镓这样的液态金属第一次被用于光子学领域。”

一些自然物体，例如宝石、软体动物壳或孔雀羽毛等，天生就是五颜六色的。它们的颜色来自于光与周期性阵列的微米或纳米结构的相互作用，比如蛋白石中的微小二氧化硅球体、软体动物壳中的碳酸钙基血小板、孔雀羽毛中圆柱形结构顶部的分段带状物等。

受大自然启发的结构色材料在显示器、可穿戴电子产品、视觉传感器和防伪标签等领域得到了广泛的应用。近年来，科学家们一直在尝试设计能够随着外部机械刺激而改变颜色的材料。

印度科学研究所的研究团队开始用金属镓进行实验，但是，因为镓的高表面张力阻碍了纳米颗粒的形成，所以在此之前，镓并没触及这种应用。镓在室温下是一种液态金属，已有研究证明，其纳米颗粒与电磁辐射有很强的相互作用。

该研究团队开发的工艺，巧妙地利用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）这种生物相容性聚合物衬底的特性，克服了表面张力的障碍，创造出了镓纳米颗粒。

当PDMS衬底被拉伸时，研究团队注意到一些不寻常的事情。随着不同应变的发生，材料开始显示出不同的颜色。研究团队推测，沉积的镓纳米颗粒阵列以特定的方式与光相互作用，从而产生不同的颜色。为了分析PDMS衬底在颜色变化中起到的作用，该研究团队还建立了一个数学模型。

PDMS是一种聚合物，由两种液态状成分——低聚物和交联剂——混合并相互反应形成固体聚合物。该研究团队发现，未反应的低聚物部分，仍处于液态，在稳定的衬底上，对于镓纳米颗粒的形成起着至关重要的作用。

当PDMS衬底被拉伸时，液态状的低聚物渗入纳米颗粒之间的间隙，改变间隙的大小和它们与光的相互作用，导致观察到的颜色也发生了变化。在实验室进行的实验证实了该研究团队对数学模型的预测。通过调整低聚物含量与交联剂的比例，研究团队获得了各种颜色调谐范围。

上述论文的主要作者、博士生Renu Raman Sahu说：“我们发现，PDMS衬底不仅在结构上保持稳定，而且在决定镓纳米颗粒的结构和由此产生的颜色方面也起着积极作用。即使经过8万次的拉伸，该材料仍然能够显示出可重复的颜色变化，这证实了其可靠性。”

传统的技术（例如光刻）用于制造这类材料涉及的工艺步骤繁多，想要扩大规模更加需要很高的成本。为了解决这个问题，该研究团队设计了一种单步物理气相沉积（PVD）技术，蒸发液态镓金属并将其沉积在PDMS衬底上。这使他们能够制造出柔性结构色薄膜，尺寸约为手掌的一半。

这种薄膜有多种潜在的应用。该研究团队展示了人体运动传感器的应用：当将一段薄膜附着在手指上时，随着手指的弯曲，它的颜色也发生变化，这有助于实时感知运动。Renu Raman Sahu表示：“在未来，该薄膜材料也可以用于能量收集应用。”

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-024-01625-1