科学家利用变色龙研发出新型变色“智能”皮肤

撰文:CARRIE ARNOLD
 
科学家利用变色龙研发出新型变色“智能”皮肤
变色龙可以根据周围环境改变皮肤颜色。一种新的“智能”皮肤可以根据光线改变颜色,其设计原理与变色龙组织的变色原理相同。
摄影:PETER R. HOULIHAN,NAT GEO IMAGE COLLECTION
 
  变色龙变色看起来很容易。转瞬之间,这些蜥蜴就能改变皮肤的颜色来恐吓捕食者,伪装自己,或者寻找伴侣。在实验室里,科学家们花了几十年的时间试图解开变色龙变色的秘密。经过多年的研究,如今科学家们研发出一种新的智能皮肤,当暴露在阳光下时,这种智能皮肤的颜色会发生变化。
 
  “这是大自然一直在做的事情,我们可以利用直射阳光来触发颜色改变,”艾莫利大学的生物工程师、近日发表于《美国化学会·纳米》的新论文的高级作者Khalid Salaita说。
 
  这种材料可用于制造各种各样的东西,从迷彩服、涂料再到化学和环境传感器,不一而足。
东北大学的生物化学学者Leila Deravi没有参与这项研究,他认为这种新型的智能皮肤已经克服了“工程师们面临的一个主要问题”,即在不改变聚合物体积的情况下引发颜色改变。
 
模拟变色龙
 
  早在哈利·波特穿上隐形衣之前,各种动物就出于许多不同的原因改变自身的颜色。对于这种能力,爬行动物、霓虹灯鱼、蝴蝶以及章鱼和乌贼等头足类动物都独立进化了好几次。
 
  这些动物的皮肤细胞含有大量聚集在一起的微小晶体,又被称为光子晶体。与具有固定色彩的色素不同的是,这些晶体可根据其大小、化学成分和排列方式反射和散射光线,进而创造出不同的颜色。
 
  在《自然通讯》2015年的一篇论文中,研究者发现变色龙的皮肤细胞中含有鸟嘌呤晶体,其间散布着“规则的”皮肤细胞。为了改变颜色,蜥蜴可以压缩或弯曲其含有晶体的细胞,进而使不同波长的光反射。与此同时,正常的皮肤细胞可以膨胀或收缩来填补任何缝隙。
 
  为了在实验室中研发变色智能皮肤,科学家们通常将光子晶体嵌入凝胶状聚合物中。这项新研究的第一作者、Salaita实验室的博士生Yixiao Dong建议创造一种两层水凝胶来调整这个配方,就像变色龙的皮肤一样。
 
  “听起来像是一个完美的解决方案,”Salaita说。
 
在阳光下变色
 
  研究团队创造了一个小而薄的柔性结构,就像硅胶手镯一样,包含一层嵌入氧化铁和二氧化硅的光子晶体。在化学水平上,“就像是一个带沙壳的铁锈核,”Salaita说。另一层则含有无色聚合物。
 
  接下来,他们将新研发的皮肤暴露在阳光和激光下。之前的智能皮肤通常使用高压电流触发,新方法显然不同。
 
  在一项实验中,Dong将一张黄色皮肤制作成叶子形状。在曝露于阳光下五分钟后,这片叶子变成了绿色,与他从实验室外的一棵树上剪下的一些叶子融为一体,显示出这种智能皮肤的伪装潜力。他使用一个鱼形聚合物进行了类似的颜色改变尝试。Dong和Salaita随后用激光完成了更快速的颜色改变。
 
  Deravi说:“这是一个使用光线改变颜色的聪明方法。”她称这项工作是良好的开端,同时还表示智能皮肤投入商业使用还需要很长时间。
 
  最大的挑战之一是如何把智能皮肤做的足够大,进而用于服装、仪表板和其他人类用途。Salaita还指出,动物对自身的颜色变化有更好的控制能力,能比人类制造的材料产生更剧烈的变化。
 
  新研发的智能皮肤还不能随着周围环境的变化而改变颜色。头足类动物和变色龙可能是通过感知皮肤中的光线来做到这一点的,这需要大量的镜子和复杂的光学系统来完成,Deravi补充道。
 
  “对于学术实验室来说,将研究成果转化为现实世界的应用是一场持续不断的斗争,”她说道,但她相信这是值得的。
 
  毕竟,进化已经花了数百万年的时间来完善这些变色系统,所以对科学家来说,试图借用一些原理是有意义的。“这些聚合物可以制造成任何你想要的东西,”Salaita说。
 
(译者:流浪狗)
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