天津大学封伟教授、王玲教授团队Angew. Chem.：仿生头足类生物多波段隐身液晶智能材料

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-26 07:54

正文

研究背景

电磁波在现代科技和军事应用中扮演着至关重要的角色，尤其在通信、探测和隐身技术领域。随着电子设备的迅速发展，电磁波的应用范围已经覆盖了从可见光到微波、雷达等多个频段，对电磁频谱的使用提出了更高的要求，这不仅需要应对不同频段的探测和通信信号，还需要在复杂环境中有效避开敌方探测。传统的伪装技术通常对单一频段内发挥作用，例如用于可见光的光学隐身材料或用于红外频段的热隐身材料。尽管这些技术能够在特定环境下提供有效的隐蔽保护，但随着探测技术的进步和多频段雷达等新型探测设备的出现，单频段伪装技术逐渐暴露出明显的局限性。单一频段的伪装材料难以满足多频段适配和智能适应的需求，特别是在环境和操作条件复杂、动态变化的情况下。因此，开发能够覆盖可见光、红外和雷达等多个电磁频段，并且在复杂环境下自适应调整的智能伪装材料，成为了当前科学研究中的一个重要课题。

自然界中头足类生物（如章鱼、墨鱼和鱿鱼）凭借其卓越的伪装能力，长期以来为科学家们提供了丰富的启示。这些生物能够通过改变皮肤的颜色、纹理和光泽，迅速适应周围环境，实现高效的隐蔽。章鱼以其出色的伪装本领而著称，它们能够通过控制皮肤中的色素细胞和独特反射细胞（如虹彩细胞），迅速改变体色和表面纹理，从而避开捕食者或隐藏在复杂环境中。受头足类生物启发，国内外研究团队在仿生变色隐身智能材料的研究方面已经取得了一系列重要进展。众所周知，手性液晶材料如胆甾相液晶弹性体（Cholesteric Liquid Crystal Elastomers, CLCEs）是一类具有周期性螺旋超结构的智能软光子晶体，不仅选择性地反射不同波长的可见光，还能够灵敏地响应环境刺激（如力、热、电、光、磁等），呈现出结构色的动态变化，在军事伪装和新型显示器件等领域都具有广泛的应用前景。然后，如何开发具有可见-红外-雷达多波段伪装能力的智能高分子液晶材料，仍是亟待解决的重要关键科学问题。

天津大学封伟教授、王玲教授研究团队受头足类生物启发报道了一种可见-红外-雷达多波段伪装MXene纳米复合胆甾相液晶智能材料（MXene-CLCE）（图1）。通过原位迈克尔加成和自由基光聚合液晶前体制备大面积CLCE柔性薄膜，并进一步引入异氰酸酯界面层实现MXene纳米涂层与CLCE薄膜的共价化学键合。所制备的MXene-CLCE展现出动态结构色变化、可调红外辐射和可切换的微波屏蔽特性，该研究成果为多波段伪装智能材料与应用提供了全新的思路，在军事隐身、智能光学隐身和动态热管理等领域具有广泛的应用前景。相关成果以“Cephalopod-Inspired MXene-Integrated Mechanochromic Cholesteric Liquid Crystal Elastomers for Visible-Infrared-Radar Multispectral Camouflage”为题，发表在国际权威期刊《Angewandte Chemie》上。天津大学材料学院博士生刘源为论文第一作者，天津大学王玲教授为论文通讯作者。本研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和天津市杰出青年基金等项目的资助。

图1 头足类生物启发的力致变色动态多波段伪装液晶智能材料设计思路

内容简介

为了制备仿生头足类生物皮肤特性的MXene-CLCE，作者巧妙地将二维 MXene纳米材料化学键合到力致变色CLCE上。通过对MXene-CLCE的化学结构、横截面的SEM和EDS图像、XPS和FT-IR光谱的分析，证实了MXene与CLCE之间通过共价化学键合形成了稳固的界面。这种界面的强化，得益于异氰酸酯界面层的引入，MXene纳米涂层不仅有效降低了材料的中红外发射率，还赋予其优异的电磁干扰屏蔽功能。通过调整MXene的厚度，能够精确调控MXene-CLCE在可见光谱范围内（400-700 nm）的光学透射率，红外辐射率和电磁干扰屏蔽效能（SE_T），实现了材料多波段电磁波性能的动态调控（图2）。

图2 头足类生物启发的MXene-CLCEs的制备与性能

在此基础上，作者展示了MXene-CLCEs在力致拉伸作用下光学、红外以及电磁波性能的动态变化。通过实验观察到，MXene-CLCE在不同拉伸程度下显示出显著的颜色变化，其结构颜色从红变绿再到蓝，同时伴随着红外辐射率和电磁屏蔽效能的可逆变化。这些变化是由于MXene层与CLCE层之间机械性能差异引起的表面形态变化，从而实现了从平面到裂纹状态的转变。这些发现证实了MXene-CLCEs在动态多光谱伪装和智能隐身技术中的潜力，能够通过机械手段快速响应并改变其可见光和红外信号（图3）。

图3 单轴力致拉伸对MXene-CLCEs薄膜的光学、红外和电磁性能影响规律。

进一步，作者探讨了MXene-CLCEs在机械拉伸作用下表面形貌的演变及其对红外辐射信号动态调控的影响。通过扫描电子显微镜和3D表面轮廓仪图像展示了材料从0%至120%应变下的表面结构变化，揭示了MXene层在拉伸过程中裂纹的形成和扩展。同时，利用有限差分时域（FDTD）模拟分析了裂纹对红外辐射的调控作用，表明裂纹作为“通道”增强了红外光的透过率。此外，还通过FT-IR和XPS分析确认了材料在循环拉伸过程中化学键合的稳定性，确保了界面的牢固性和材料的稳定性（图4）。研究结果显示，通过力致拉伸精准调控MXene-CLCEs结构特性，可以实现对其红外辐射信号的有效调控。

图4 头足类生物启发的MXene-CLCEs的表面形态演化与机制

最后，作者展示了MXene-CLCEs在多波段伪装领域的应用，特别是在力致拉伸下的动态伪装效果。通过设计具有章鱼图案的MXene-CLCEs，作者展示了材料在机械拉伸前后在可见光和红外光下的颜色变化。初始状态下，章鱼图案在蓝光背景下清晰可见，但在拉伸后，图案消失，与周围薄膜颜色融为一体，实现了在可见光范围内的伪装效果。同时，通过红外相机观察，MXene-CLCEs在拉伸状态下的红外图像对比度也发生了变化，表明其在红外光谱范围内也具有伪装能力。作为概念的演示，作者进一步展示了基于MXene-CLCEs的气动章鱼模型，该模型能够实现动态的多波段伪装。通过气动驱动，章鱼模型能够在不同状态下切换，展示出可见光和红外光下的颜色及温度变化，从而实现伪装效果（图5）。相关研究为多波段智能伪装技术的应用提供了全新的思路，在军事隐身、智能光学隐身和动态热管理等领域具有广泛的应用前景。

图5 受头足类生物启发的MXene-CLCEs应用于多波段伪装

文章信息：

Yuan Liu, Ran Bi, Xuan Zhang, Yuanhao Chen, Cristian Valenzuela, Yanzhao Yang, Huan. Liu, Le Yang, Ling Wang*, Wei Feng. Cephalopod-Inspired MXene-Integrated Mechanochromic Cholesteric Liquid Crystal Elastomers for Visible-Infrared-Radar Multispectral Camouflage. Angewandte Chemie International Edition 2024, e202422636.

全文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202422636

来源：高分子科学前沿

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