自然界中，許多動物通過調節其柔軟的細胞層或蛋白質層的厚度，可以改變皮膚或角質層的結構色彩。例如，變色天牛的翅鞘在乾燥環境下呈現綠色，遇到溼氣後，翅鞘下的黑素蛋白層吸收水分子而膨脹，造成翅鞘結構色彩由綠色變為紅色。受這些動物變色機制的啟發，設計一種簡便易行的方法，將軟材料應用於構建變色體系，能夠極大促進檢測、防偽、顯示等技術的發展。
圖為呼吸控制的圖案顯示與隱藏。
最近，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）賀曦敏教授領導的團隊提出了一種製備簡便、快速響應、易於圖案化的水凝膠“干涉儀”變色體系，並展示了其在檢測和信息加密方面的多種應用。不需要微納米構築單元的精細組裝，水凝膠“干涉儀”的結構極其簡單，只需在帶有接枝官能團的高反射基底上旋塗製備一層水凝膠薄膜。依據薄膜干涉原理，通過控制水凝膠膜厚，能夠得到覆蓋寬光譜的顏色。
圖為水凝膠“干涉儀”的工作原理和光學性質。
和多數變色動物一樣，面對外部刺激，水凝膠膜能夠快速吸收刺激物而溶脹，發生膜厚的變化，從而帶來顏色的改變。研究人員製備了基於聚（2-羥乙基甲基丙烯酸酯-丙烯酸）（poly(HEMA-co-AA)）的水凝膠“干涉儀”，發現其對乙醇氣體的響應時間僅為140毫秒，並且，恢復初始顏色的時間僅為210毫秒，遠快於目前其他水凝膠結構色體系的響應速度。
圖為poly(HEMA-co-AA)水凝膠“干涉儀”對乙醇氣體的響應時間。
水凝膠“干涉儀”膜厚和顏色隨被測物濃度改變而變化，通過RGB顏色的數學計量，能夠用於精確的定量檢測。並且，研究人員將不同膜厚的水凝膠“干涉儀”組合成一個檢測陣列，這一陣列可以用於多種相似被測物的同步可視化檢測。例如poly(HEMA-co-AA)水凝膠“干涉儀”陣列能夠同時檢測多種揮發性有機氣體。
圖為poly(HEMA-co-AA)水凝膠“干涉儀”陣列對8種揮發性有機氣體的響應。
通過分步交聯，研究人員可以控制不同區域的水凝膠膜厚，簡便地得到了圖案化的水凝膠“干涉儀”，可用於信息加密和可視化溼度計。
圖為圖案化水凝膠“干涉儀”用於信息加密和可視化溼度計。
圖為星形圖案溼度響應
為了實現可攜式檢測，研究人員還發展了相應的手機軟件。水凝膠“干涉儀”檢測完畢後，只需用手機照張相，軟件便會自動分析，給出檢測結果。
圖為手機軟件自動檢測分析。
由於製備的簡便性，通過改變和修飾水凝膠組分，這一變色體系能夠廣泛用於不同物質的檢測、數據加密和防偽等領域。該研究工作發表在近期的《先進材料》雜誌。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201800468
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
