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變色龍仿生技術:扭動就能變色的新材料

2015/03/26 | |
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工程師發明了一款像變色龍般可以隨意變換顏色的「皮膚」。Credit: The Optical Society (OSA)

變色龍只要讓皮膚緊致或鬆弛,就能改變顏色。加州大學柏克萊分校(University of California at Berkeley)的工程師師法根據這個概念,創造出極輕的變色材質,只需要輕微施力就可以依需求改變顏色。這款材質開啟了許多應用的可能,如:全新顯示科技、偽裝,或偵測建築、橋梁、飛機中難以察覺的毀損。

研究發表在美國光學學會(Optical Society of America,簡稱OSA)出版的《光學》(Optica)期刊。作者之一的常瑞華(Connie J. Chang-Hasnain)表示:「這是第一個任何人都能擁有,具彈性、只需彎曲就可以改變顏色的皮膚。」研究團隊在比髮絲還細一千倍的矽膜上,蝕刻上比光的波長還微小的紋理;還可以根據矽膜被彎曲和伸縮的程度,選擇材質可反射的顏色範圍。

與眾不同的新材質

根據物體成色的原理,可以將顏色分為「化學色」與「物理色」。化學色就是靠色素顯色,物理色則是靠奈米級的結構反射出不同顏色的光。近年來因為仿生表面的研究,物理色的相關研究與發現越來越多。(可以參考〈不會褪色的藍色羽毛〉一文)

研究團隊利用物理顯色原理,設計出改變顏色的新方法。他們在單一的薄矽膜上蝕刻了整排的「脊」或凸列,這些凸列不讓光發散形成一道完整的彩虹,而是反射了特定的光波長,藉由「調整」這些凸列間的間隔,可以選擇反射特定的顏色。不同於衍射光柵(diffraction grating)中的狹縫,這些凸列可以有效且立即地反射他們調整的光頻率。

控制的關鍵-彈性

凸列的間距成為控制顏色反射的關鍵,研究人員便利用彎曲或伸縮材質來巧妙地改變這些間隔,進而改變顯色。

早期發展具有彈性、可轉換顏色的表面材料並不理想;金屬表面易於蝕刻,但卻無法有效地只反射特定波長範圍的光,其他的表面則太厚限制了應用,或太堅固而無法使它們被彎曲。柏克萊的研究人員克服了這兩個障礙,他們使用了只有120奈米厚的矽半導體製成光柵隆起,將隆起的矽脂鑲嵌至可塑性的矽膜中產生彈性,當矽脂被彎曲或伸縮時,光柵的間隔就會有所改變。

這種材質使團隊可以創造一種極輕、扁平且易於再加工的皮膚,能有效地從83%的入射光中反射精確且純粹的色彩。他們的初期構想是將間隔僅僅改變25奈米,使顏色可以從綠色轉換成黃色、橘色和紅色。

變色龍皮膚的多種應用

研究人員創造出了1平方公分大小且可顏色轉換的矽脂,未來的發展方向希望製作出大到足夠發展商業用途的材質。常瑞華表示:「下一步就是要提高它的規模,目前設備都已經準備好了,而到那時我們希望可以找出在娛樂、安全和監控方面的應用。」

對顧客來說,此款變色龍材質可以應用在新型的顯示技術,在戶外的娛樂場所加入出色的色彩呈現,它也可以創造出車輛外觀的主動偽裝,使車輛可以改變顏色以融入周遭環境。更多日常的應用包括感應器可以變色,以顯示橋梁、建築或飛機的主要組成因受壓所造成的結構疲乏。常瑞華認為:「這是首次有人可以讓一片又薄又輕的表面上成功顯現範圍如此寬的色彩,真的非常的棒!」

參考資料:

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