Science：不光能在红外线下“隐身”，它还有更多妙用

一提到隐身衣，很多人会想到哈利•波特拥有的一件隐身斗篷，只要披上它，就会让你从别人眼中瞬间消失。哈利•波特的隐身衣是死亡圣器中的三件套之一，是传说中三兄弟之一佩弗利尔流传下来的。

图片来源：电影《哈利•波特》

不过，就算这种魔法隐身斗篷，也不能让人类完全无迹可寻。红外成像，也称热成像，通过探测红外线波长来检测目标与环境的温度差异，并将其转换成肉眼可见的图像。如果用上红外成像，只要是体温正常的活人，就算隐藏的再好都得原形毕露。考眼力的时候到了，看下图，能找到其中隐藏的人么？

如果用上红外成像，就简单很多了。

那么，在红外成像下如何“隐身”呢？日前，美国加州大学欧文分校（UCI）Alon Gorodetsky教授（点击查看介绍）课题组从乌贼等自然界“伪装大师”身上获得灵感，设计了一种可自适应反射红外线的弹性新材料，动态调节有效温度从而在红外线下“隐身”。当然，在红外线下“隐身”只是其应用之一，这种新材料还有希望用于航空航天、抢险救灾、临床护理、可穿戴设备、智能建筑等等多个领域。相关论文发表于Science 杂志，第一作者是Alon Gorodetsky教授课题组博士生Chengyi Xu。

Alon Gorodetsky教授（左）和一作Chengyi Xu（右）。图片来源：UCI ^[1]

这种新材料的红外“隐身”原理并不复杂，但说起来容易做起来难。该团队第一个要解决的问题就是如何实现动态调节。研究者需要的材料需要具有自适应特征，即精确、敏感、实时地响应周围环境的变化。迄今为止，只有很少的自适应红外系统被报道，无一例外需要严格的条件和苛刻的技术指标。在生物界，乌贼等头足类动物皮肤在数百毫秒就可改变颜色和图案并融入环境，堪称“伪装大师”（下图A/B）。与一些人类“大师”一样，这些头足类“大师”的神奇手段也不是什么超自然力量。它们柔软弹性的皮肤上存在包含众多色素颗粒的色素细胞和反射光线的虹彩细胞（iridocytes），前者可通过伸缩来吸收和反射特定波长的可见光（下图C），而后者通过改变细胞表面的包膜蛋白质层及胞外空间来调节细胞微形貌和折射率（下图D），从而实现伪装。

乌贼伪装变色的原理。图片来源：Science

受此启发，研究者设计了一种基于介电弹性体致动器的新结构体系，包括可传导质子的底电极、介电弹性体膜、可传导质子的顶电极和红外反射涂层（下图E/F）。随着致动开始和结束，介电弹性体膜会伸展和恢复，使得红外反射活性区域面积变大和复原（下图E），这就好似乌贼皮肤上的色素细胞；而且红外反射涂层的表面形貌也会相应发生变化（下图F），这就好似乌贼的虹彩细胞。

自适应红外反射材料设计原理示意图。图片来源：Science

接下来就该验证想法是否可行了。Chengyi Xu说，“这可不容易，特别是在我们学习如何使用那些粘性材料的第一个阶段。”经过试错过程的数千次尝试之后，他们终于成功构建了具有自适应红外反射性质的材料结构。^[1] 在机械力致动情况下，褶皱的表面可以变的平整，红外反射活性区域面积变大，由此可以改变材料的红外反射特性，而且该过程完全可逆。

机械调控下的反射性质变化（A）及数码相机（B）、光学显微镜（C）和扫描电镜（D）下的形貌变化。图片来源：Science

随后，研究者不满足于机械力刺激，他们使用电刺激也实现了红外反射调控。通过施加电压，可以触发介电弹性体膜厚度和面积的改变，使其变大变平。这就改变了材料表面的红外反射性质，而且该过程一样可逆。此种材料的形变程度与外加电压有关，当电压在3.5千伏附近时，最大应变约为230%。同时，面应变还依赖于所施加电压的频率。

材料的电学性能。图片来源：Science

更进一步，研究者使用独立的温度传感器来感受环境温度，并据此改变电场，由此来控制实现材料的自动调节。随着温度升高，电压就会随之改变，材料变大变平，红外反射增加，与环境的表观温度差也随之增加（下图A）。可能作为对“乌贼老师”的致敬，研究者将这种材料制备成乌贼的形状，利用红外摄像机进行试验。电致动之前，乌贼形状的新材料与环境表观温度差可忽略不计，在红外摄像机下不可见；电致动时，新材料“乌贼”变大变平，红外反射增加，与环境表观温度差比较明显，使其清楚地出现在红外摄像机图像中；电致动结束，新材料“乌贼”恢复原状，红外反射减少，与环境表观温度差降低，在红外摄像机下就再次“隐身”了（下图B）。

材料的自主调节操作和可逆红外“隐身”过程。图片来源：Science

“基本上来说，我们发明的这种柔性材料，能够以类似乌贼皮肤反射光线的方式反射热量，” Alon Gorodetsky教授说。“它从褶皱和无光泽变得光滑且有光泽，从根本上改变了它反射热量的方式。”^[1]

这种新材料可在室温下工作，除用于军事伪装外，还有望用于一系列需要动态调控热辐射传递的应用，比如可适应性调节的建筑表面或窗户、智能控温服饰、太空防辐射部件或生鲜食品的储藏包装等。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Adaptive infrared-reflecting systems inspired by cephalopods

Science, 2018, 359, 1495–1500, DOI: 10.1126/science.aar5191

导师介绍

Alon Gorodetsky

http://www.x-mol.com/university/faculty/1262

参考资料：

1.https://news.uci.edu/2018/03/29/now-you-see-it-invisibility-material-created-by-uci-engineers/

（本文由小希供稿）