仿生之美：模仿叶片变色研发新型材料 | 科技最前线

在日常生活中，随着季节变化，我们可以看到植物叶片颜色的转变，从春天的嫩绿色到秋天的金黄色，这些颜色变化给我们的生活带来了无尽的惊喜。然而，你是否知道，这看似简单的颜色变化背后，实际上涉及了一系列复杂的物理和化学过程。这些过程是如何与科学技术的发展相结合，创造出新型实用仿生材料的呢？

近日，中国科学技术大学叶宏/龙林爽团队经过长期探索和深入研究，成功研发出一种新型的变色仿生材料（图1），这种材料能够模拟植物叶片的颜色变化，并具有与植物叶片相似的太阳光谱反射特征和红外发射特征。这一科研成果不仅标志着植被光谱仿生材料的重要突破，也为我们揭示大自然的奥秘提供了全新视角。

▲图 1 实现可逆变色的仿生植株

这项研究源于研究人员对植物叶片光谱特征形成机理的深入理解，在前期工作中，他们发现植物叶片的太阳光谱反射特征与色素和水分对入射辐射的吸收过程，以及细胞堆叠结构对入射辐射的散射过程有关。此外，他们还发现植物叶片的蒸腾过程对植物叶片的温度调控起到关键作用，从而影响其红外发射特征。在了解了这些基础知识后，研究人员尝试将这些理论应用于实践中，成功研制出了能够模拟绿色植物背景太阳光谱反射特征和红外发射特征的仿生材料。

以上研究都只关注了绿色植物叶片，对于植物来说，尤其是落叶植物，叶片变色现象非常普遍。研究发现，植物叶片的颜色变化主要源于叶片内部色素含量的变化。在春夏季节，叶片内的叶绿素含量较高，这种绿色色素会掩盖其他颜色的色素，使叶片呈现出绿色。然而，当秋季来临，叶绿素开始分解，细胞内的胡萝卜素等色素颜色开始显现，使得叶片逐渐呈现出金黄色。研究团队从这个自然现象中受到启发，提出一种将绿色动态颜料与黄色静态颜料复合的颜色变化模型（图2）。

▲图 2 变色仿生材料的设计思路

在这个模型中，绿色动态颜料具有两种颜色状态：着色状态和褪色状态。当绿色颜料处于着色状态时，它会覆盖黄色静态颜料，使材料呈现出绿色。而当绿色颜料褪色时，黄色静态颜料的颜色就会显现出来，使材料呈现出黄色。基于该仿生思想，研究团队利用热致变色微胶囊颜料与钛铬黄颜料复合，通过溶液铸膜法制备了以聚乙烯醇为基材的变色仿生材料。该仿生材料的颜色变化通过施加外部温度刺激来切换，且具有双稳态特性，在常见的户外环境中绿色和黄色两种色态能稳定存在，这是在之前研究基础上的一次重大突破。

在实现变色现象的基础上，研究人员进一步发展颗粒系辐射传输模型，设计了材料中的颜料颗粒配比，使其模仿叶肉中细胞堆叠结构对入射辐射的散射过程，从而形成与真实叶片一致的近红外高反射特征。同时，借助基材的亲水特性，仿生材料可以吸收空气中的水分，模拟植物叶片的水分吸收谷特征（图3）。

▲图 3 变色仿生材料（CCBM）的太阳光谱反射特征

此外，仿生材料还可以随环境中的湿度变化进行水分吸附和脱附，模拟植物叶片的水分蒸腾进行温度调控，与天然叶片的红外特征一致（图4）。这项研究实现了针对落叶植被的高光谱变色仿生，在工程领域具有广阔的应用前景。相关成果以A Color-Changing Biomimetic Material Closely Resembling the Spectral Characteristics of Vegetation Foliage为题发表在国际期刊《微尺度》(Small）上。

▲图 4 变色仿生材料的红外特征

这项研究的成功，标志着我们在模仿大自然的道路上迈出了重要一步。我们所熟悉的大自然，其实是一个充满了奇妙现象的宝藏库，只要用心去探索，就能从中找到无尽的灵感和创新的思路。在这项研究中，研究人员从植物叶片的颜色变化中找到灵感，创造出了新型变色仿生材料，无疑是对大自然最好的致敬。期待这种新型高光谱仿生变色材料在未来能够带来更多的惊喜和应用，同时，也期待科研人员能够在模仿大自然的道路上越走越远，为我们的生活带来更多的创新和变革。

参考文献：

1. Y. Gao, H. Ye, Bionic membrane simulating solar spectrum reflection characteristics of natural leaf, International Journal of Heat and Mass Transfer 114 (2017) 115-124.

2. K. Xu, C. Zheng, H. Ye, The transpiration characteristics and heat dissipation analysis of natural leaves grown in different climatic environments, Heat and Mass Transfer 56 (2020) 95–108.

3. K. Xu, H. Ye, Light scattering in stacked mesophyll cells results in similarity characteristic of solar spectral reflectance and transmittance of natural leaves, Scientific Reports 13 (2023) 4694.

4. Z. Huang, L. Long, Y. Gao, Z. Tang, J. Zhang, K. Xu, H. Ye, M. Liu, A Color-Changing Biomimetic Material Closely Resembling the Spectral Characteristics of Vegetation Foliage, Small (2023) e2303966-e2303966.

审稿：龙林爽、叶宏

来源：中国科学技术大学