酸了！从中南到上交的“学霸”情侣，受变色龙启发，一作发表Nature子刊！

根据外部刺激动态调节中红外辐射（中红外：7.5-14 μm），可实现加密、电致变色显示、伪装、辐射冷却、人机交互和热管理等先进技术。

成果简介

在此，上海交通大学邓涛教授、宋成轶副教授和美国北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey教授等人报道了一种具有多种红外反射调节模式的液态金属基红外调节材料和系统。具体开始，作者受变色龙皮肤亮度调节的启发，在有机硅弹性体（Ecoflex）基质中使用了形变液态金属液滴，使其类似于分散的 “黑色素细胞”。在该系统中，Ecoflex 可作为激素驱动液态金属液滴变形。可实现基于全反射和镜面反射的红外线伪装。通常情况下，总反射率和镜面反射率的变化幅度分别为~44.8%和61.2%，这是已报道的红外伪装最高值之一。

同时，通过调整液态金属的浓度和施加面积等应变，探索了可编程红外编码/解码。通过引入不同熔点的合金，可实现随温度变化的红外涂敷/书写。此外，还设计了多层结构的红外调制系统，将液态金属基红外调制材料与蒸发金属膜集成在一起，以提高该系统的性能。

相关文章以“Chameleon-inspired tunable multi-layered infrared-modulating system via stretchable liquid metal microdroplets in elastomer film”为题发表在Nature Communications上。值得注意的是，这也是邓涛教授继Science之后，时隔一年基于液态金属技术再发的又一重要成果！（上海交通大学，2023年再发一篇Science！）

研究背景

具体而言，机械刺激红外调节器还可用于个人热管理、辐射热管理、手指运动感应等领域。现有动态红外调节系统中使用的各种材料有助于控制系统的某些红外特性。例如，金属具有高红外反射率，相变材料具有温度调节红外发射率，二维（2D）纳米材料的红外发射率取决于成分。此外，已报道的大多数红外调制材料都设计成二维结构，这限制了红外调制沿平面外方向的发展。为了实现广泛的实际应用，理想的红外调制材料不仅应具有卓越的调制性能和多种调节响应的机制，而且还应允许多层设计。

在自然界中，已经发现变色龙皮肤中的黑色素细胞通过黑素体的分散和聚集来强烈调节入射阳光与黄素团/虹膜团之间的相互作用（图1a）。当黑素体聚集在黑色素细胞内的核周位置时，皮肤呈现鲜艳的颜色。相反，当黑素体迁移到位于虹膜团和黄色团上方的末端突起时，它们有效地阻止了光照射到下面的虹膜团。它会导致皮肤看起来很黑。这样的过程是完全可逆的。变色龙皮肤的亮度变化涉及通过移动黑素体来调整太阳光和虹膜之间的相互作用，这不会改变反射光的波长，但会改变反射光的强度。它类似于红外热像仪的工作原理，它使用假色来表示红外的光强度范围为1.7至5 μm。由于红外调制系统的红外反射率可调，可以调节不同的红外信号并产生自适应的红外图像。因此，变色龙的亮度变化机制启发了可逆红外调制系统的设计。

图文导读

具有可逆形状变形特性的液态金属微滴可以作为红外调制系统“黑色素细胞”的候选者。液态金属具有水状粘度、高表面张力、低生物毒性等特点，已广泛应用于软电路中、热管理、成像造影剂和化学催化中。液态金属类似于铝（Al）或金（Au），具有很强的红外反射率，但与那些固体金属不同，液态金属很容易改变形状。此外，当金属经历相变时，红外反射率会发生变化。因此，熔点（mp）可以通过成分来调节，从而使得液态金属能够用于调节红外反射率。

在这项工作中，作者展示了一种由分散在有机硅弹性体（Ecoflex）薄膜中的共晶镓铟（EGaIn）液滴组成的仿生多层结构，该结构通过调整红外反射率来实现红外调制。封装的EGaIn液滴用作红外调制的“黑色素细胞”，可以通过响应应变将其形状从球形变为薄片来调节反射率（图1b）。结果显示，Ecoflex基质作为“激素”，在机械应变下驱动EGaIn液滴的变形。在拉伸之前，球形EGaIn液滴的散射和Ecoflex基质对红外的吸收会导致低红外反射率状态。拉伸后，重叠的EGaIn薄片具有金属光泽，从而形成高红外反射率状态，从而实现了基于镜面反射率的全反射率和红外伪装，这是在以前的工作中需要聚合物的褶皱表面来调节镜面红外反射率。

图1：双层Ecoflex/EGaIn薄膜（BLEE）的概念和仿生设计以实现红外调制。

基于全反射率的红外伪装

作者将BLEE放在热板上模拟高温物体（图2a），评估了具有特定Ecoflex/EGaIn质量比的BLEE薄膜的红外伪装性能（红外总反射率）。通过改变Ecoflex/EGaIn质量比和应变值，实现了红外反射率的调节。图2b、c描述了表观温度与等应变之间的关系，随着等应变和EGaIn浓度的增加，表观温度降低。因此，本研究中的BLEE薄膜可以实现近44.8%的总反射率变化（从29.8%到74.6%），并将高温物体（76℃）的表观温度降低34.5 ℃。结果表明，应变值为1500%的BLEE薄膜的表观温度与热板温度成线性关系，这表明特定BLEE薄膜的红外反射率始终保持与物体温度变化相同。

图2：基于全反射率的红外伪装性能、反射光谱和力学性能。

基于镜面反射的红外伪装

为了评估镜面反射情况下的红外伪装性能，使用一个热板作为红外光源，并将其置于样品的左侧（图3a）。BLEE薄膜的红外图像显示，随着EGaIn浓度或施加的等面积应变的增加，表观温度更高（图3b）。同样，为了获得表观温度与质量比或等应变之间的直观关系，图3c中绘制了从图3b的红外图像中采样的温度曲线。仅改变应变，镜面反射率变化了61.2%，表观温度变化了近21.2°C，这是基于镜面反射率的红外伪装的最高值之一。为了深入了解实验结果的机理，作者对BLEE薄膜的镜面反射率进行了测量和分析。

值得注意的是，在施加1500%的等面积应变后，不仅BLEE薄膜的镜面反射率没有发生变化，总反射率也没有增加（图3e）。值得注意的是，在施加1500%的面积应变后，不仅镜面反射率随着EGaIn 比例的增加而呈上升趋势，而且镜面反射率占总反射率的比例也在增加。在质量比为1:10的BLEE薄膜的镜面反射率占总反射率的最大比例为95%，这使得镜面反射率的变化接近 61.2%，是目前所报道的最高值之一。

图3：基于光谱反射的红外伪装性能、光谱反射光谱和表面形貌。

多种红外调节模式

研究显示，有三个参数会影响这些材料的红外特性：（1）等应变；（2）质量比；（3）温度。关于等应变，已经证明施加特定的等应变是调节BLEE薄膜红外全反射率的重要工具之一。同时，Ecoflex/EgaIn的质量比是调整红外总反射率的主要因素之一。只需将具有特定红外反射率的部件组装成图案，红外摄像机中就会出现各种假色。为了评估不同温度下图案的假色，红外图像中刻度条的最高温度和最低温度之差被设定为相同。通过应用相同的面积应变，颜色随着热板温度的升高而变化。特别是，随着热板温度的升高，色差变得更大。

图4：基于应变和质量比控制实现以及编码/解码。

液态和固态金属颗粒的红外行为各不相同。因此，可以调整金属合金的成分，进而调整熔点，以设定随温度变化的红外响应。作者引入了不同的合金来改变 mp，从而在固态金属和液态金属之间实现不同的红外反射率。具体来说，考虑到合金的mp不同，作者设计了一个三角形图案，其中每个角都由特定合金制成。随着热板温度的升高，熔点低于热板温度的合金部分发生了相变，但熔点较高的合金部分仍保持固态。因此，在红外图像中，边角的颜色随加热温度的变化而变化。这种系统不仅显示了可编程红外绘画的潜力，而且在防伪和人机交互方面也有广泛的应用。

图5：温度控制以实现红外喷涂和书写。

多层结构设计

在以往的研究中，红外加密材料和系统通常采用二维设计，仅通过反复调整像素化驱动器阵列来实现二维红外调制和红外显示。在这项工作中，作者展示了红外调制系统的多层结构设计，以增强红外加密系统的多样性，并减少其对多个驱动器的依赖。其中包括金、铝和铜在内的金属通常被蒸发在聚合物薄膜上，并被广泛用作红外调节材料。与基于蒸发金属薄膜的红外调节材料相比，本文的BLEE薄膜具有独特的优势，例如液态金属比例取决于红外反射率、不同的低熔点合金可实现可编程红外显示，以及通过将BLEE薄膜与蒸发金属薄膜结合在一起实现多层结构设计，从而获得更复杂的红外图案。蒸发金属/聚合物薄膜在不施加面积应变的情况下具有很高的红外反射率，但在拉伸后反射率会降低。拉伸会破坏连续的金属膜，暴露出底层聚合物。换句话说，反射率会随着应变的增加而降低，而此处的薄膜则会随着应变的增加而提高反射率。

图6：基于EGaIn的可编程红外加密膜的多层结构设计。

此外，为了进一步增强红外加密的多样性，设计了不同质量比的Ecoflex/EGaIn金膜和 BLEE膜，并将其沿z方向（平面外）堆叠，如图7a所示。随着面积应变的增加，金膜的红外反射率降低，而BLEE-1:2和BLEE-1:6薄膜的反射率持续上升。值得注意的是，BLEE-1:2 和BLEE-1:6薄膜分别在525%和178%的不同等距应变下出现了清晰的图案并被红外相机捕获。根据多层红外调制方法，可以设计出可编程的红外莫尔斯编码。例如，在四个预先设计好的多层红外反射样本上应用了五种不同的面积应变（0%、178%、334%、525% 和 751%）。值得注意的是，解密过程的关键需要在预先确定的等距应变（0%、334% 和 751%）下从红外图像中提取信息。

图7：可编程红外莫尔斯电码技术的演示。

结论展望

综上所述，本文报道了一种具有多种红外反射调节模式的液态金属基红外调节材料和系统，通过使用嵌入硅树脂弹性体薄膜中的可拉伸液态金属微滴，动态改变材料的红外反射率。受变色龙皮肤动态特性的启发，液态金属微滴被用作可变形的 "黑色素细胞"，以调节红外反射率的强度，并改变通过红外摄像机观察到的假色。同时，还采用了多种红外调节模式，包括施加不同的面积应变、设计Ecoflex/EGaIn的特定质量比和改变周围温度，以编码/解码可见光和红外模式之间的信息，实现红外绘画/书写。此外，还开发了一种多层设计的红外调制系统，以增加红外加密模式的多样性，提高信息的可读性。

作者简介

邓涛，上海交通大学材料科学与工程学院“致远”讲席教授，中组部特聘专家，科技部十三五材料重点专项专家组成员。本科毕业于中国科学技术大学（1996），博士毕业于美国哈佛大学（2001），在美国麻省理工学院完成博士后研究后于2003年进入美国通用电气公司全球研发总部工作。在Science、 Nature Energy、Nature Photonics、Nature Communications，Proceedings of the National Academy of Sciences of the US、Advanced Materials、Journal of American Society of Chemistry等期刊上发表多篇高水平论文。目前任国际材料联合会执行委员，中国材料学会理事及理事会外事委员会委员，国际仿生材料会议学术委员会委员，及国际期刊Chemical Reviews (化学综述)副主编，Progress in Natural Science和《中国材料进展》的编委。

文献信息

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