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光,折纸界的一双巧手

发布日期:2020-04-28 08:18:13 来源:X一MOL资讯

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想象着这样的画面:当一束红光照下来,桌面上块塑料板自己折叠出了形状;然后光变成绿色,塑料板又变成了另一个形状。神奇不?这可不是在变魔术。刺激响应性的形状记忆或变形材料早已不是什么新闻,光、温度、湿度,甚至任何环境里的因素都能够成为触发材料变形的开关。实现多级的程序化的形状控制一直以来是该领域科学家们努力实现的目标,最近,来自美国北卡罗莱纳州立大学Michael D. DickeyJan Genzer等人,巧妙的利用了不同颜色的光,实现了对自折叠塑料的程序化控制,相关论文发表在近期的Science Advances 上。

图片来源:Sci. Adv.


实现这一过程的核心思路是让聚合物材料对不同波长光有形状响应性。而这项工作中用到的聚合物非常简单——聚苯乙烯,再加一台彩色激光打印机。只需在需要翻折的部分打印上不同的颜色(称之为折叶),可吸收不同波长的光,吸收的光转化为热,应力释放,导致其出现收缩梯度,即可实现材料的自折叠过程。


譬如蓝绿色的折叶对660 nm红色的光有吸收,而黄色的折叶吸收470 nm的蓝光有吸收,因此,它们只有在相应波长的光下才会发生弯曲,从而可通过光源程序化控制其变形。


除了程序控制的折叠,也可以用类似的过程来实现逆过程,比如在一块平板的两面打印不同的颜色(如橙色和绿色),在红光下,绿色部分发生折叠;转移到蓝光下,背面橙色部分发生折叠,抵消了之前的折叠。

图片来源:Sci. Adv.


另一方面,由于不同颜色对光的吸收程度不同,只要设计一些中间色,使折叶发热程度不同,则发生折叠所需时间不同。在同一种光的照射下,塑料片会展现出逐步变化的趋势,比如出现下图中收束的“莲花”,或者交替折叠结构。这一过程中另一个重要的调控因素的就是光的强度及墨水对光的吸收。当光强大于0.5 W/cm时就能快速发生弯曲。

图片来源:Sci. Adv.


图片来源:Sci. Adv.


这是一项简单而又非常有趣的工作。我们小时候可能做过简易的太阳能热水器:将装水的容器外侧包上黑色的纸,也可能问过老师为什么会有各种各样的颜色。而从常识中创新,并且用最简单的方式来实现有趣的现象,或许就是科学的魅力所在。


留个小问题供读者思考:想要通过本文中的原理实现程序折叠材料,对材料本身的性质有什么要求呢?


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

Sequential self-folding of polymer sheets

Sci. Adv., 2017, 3, e1602417, DOI: 10.1126/sciadv.1602417


(本文由YHC供稿)