求是印象

科学封面(第25期) | 可编程塑料:编码无色之“色”

编辑:xdx 来源:ca888亚洲城官网 时间:2018年11月08日 访问次数:5  源地址

视频:一张写入二维“密”码的透明薄膜


罗丹说,生活中不是缺少美,而是缺少发现美的眼睛。随手找一个矿泉水瓶放到偏振镜下,你可能会看到五彩斑斓的图案。对于这些随机而自由的颜色,ca888亚洲城官网的科学家提出一种精确“编码”的方法。他们发明的可编程塑料,可以通过数字化调控其内部应力,任意植入精致的“隐形”图案。

相关论文于今年10月1日在《自然通讯》杂志在线发表。浙大化工学院谢涛教授课题组通过编码无“色”之色,向人们展示了二维码、奔马还有蒙娜丽莎的微笑。论文第一编辑为博士生张国高。



看不见的蒙娜丽莎


张国高给记者展示了一张硬币大小的塑料片,透明的,看起来和手机贴膜并无二致。但隔着偏振镜片看,竟能看到一个清晰的二维码。换一张看,是一只彩色的蝴蝶,再来一张,蒙娜丽莎的微笑…… 

“大家并没有在材料里加入颜料,也没有改变材料表面的的微观结构(注:区别于结构色),有图案是因为——应力。”张国高说,应力在塑料制品中普遍存在,这是工艺原因不可避免带入的,日后会以翘曲、变形、甚至开裂的形式释放出来,这是塑料制品不耐用的原因之一。

图片来源:网络


最早发现抽象的应力可以被看见,是一位19世纪的苏格兰物理学家David Brewster,也是万花筒的发明者,他第一次记录了:当向玻璃施加一个临时的压力,会出现彩色的纹路。

因为应力的存在,透明材料内部各个方向上的折射率会不同,光线穿过材料时,会发生双折射而“拆分”为不同偏振方向的光线。这样,借助于偏振镜片,大家就看到了塑料制品斑斓的样子。基于这一原理,科学家发明了光测弹性仪,通过“读取”塑料、玻璃等材料的颜色,来分析结构内部的应力分布,是一种被广泛应用的材料性能分析手段。 

“在这项工作中,大家希翼主动去控制应力,而不是被动地去观测,”谢涛说,课题组找到了一种数字化控制应力的方法,赋予材料更多意想不到的功能。

图:通过数字化控制应力方法“印刷”的各种图案

 

一张一弛,用“力”作画

谢涛课题组是在一种动态共价键聚合物网络中实现应力“编码”的。你可以将之理解为一张高分子膜,内部是由很多长长的分子链组成的“毛线团”。科学家对其内部进行应力的存储和释放操作,从而做出精致的图案。

视频:不用的应力呈现不同的色彩


第一步是存储应力。在60摄氏度附近,研究人员将这张膜均匀拉伸。“‘毛线团’被拉伸后,分子间的相对位置发生了变化,分子链具有变回起始位置的趋势,应力由此而生,并存储下来。’”张国高说。均匀存储了应力的塑料膜,在偏振镜下观看是一张素色的“底片”。

第二步,释放应力。依靠激光打印机,在聚合物膜上打印出不同灰度的图案,并在红外光下照射,就能在素色底片上定点“消除”应力。在红外光下,打印机的油墨是能够产热的,因此打印机通过灰度的变化,控制了底片上每个像素点的温度。“因为灰度的不同,每个像素点的温度也会不同。”张国高说明,在这一过程中,高分子链以像素点为单位,毛线团断开并重新接起来。“这样,应力就释放了。”

更令人惊喜的是,温度的差异,让每个像素点应力的释放程度有所不同。于是应力并不是“有”和“无”的区别,而是呈现精细的梯度变化。这样一来,图案就从灰度“转码”为应力分布,进而在材料中形成预设的“隐形”图案。

在论文中,课题组将这种原理产生的颜色称之为mechanical colour。大家暂且可以把它翻译为“机械色”,一种全新的色彩体系。

 

色彩之外的可能

 

“在材料中,应力通常是被动引入的、不可控的一种因素。大家则把这种力控制起来,进行‘编码’操作,去产生更多的功能。”谢涛说,第一个可见的应用,就是实现信息的隐形存储。“只有借助于偏振镜片,大家才能看见材料存储的图案。”

“这种颜色不是来源于色素,也不同于蝴蝶翅膀上的结构色。”浙大光电学院一位学者对这项研究产生了浓厚的兴趣,他认为,让物体表现不同的颜色是一个非常有趣的领域,这项研究通过一种非常新颖的路径实现了它。“在柔性电子制造,大家或许可以通过这种方法来制备一些传统方法不易加工出来的器件。”    

“研究的核心,是找到了一种数字化控制材料内部应力分布的方法。”张国高认为,应力与材料的光学性能、电学性能与结构等都存在关联。通过“编码”应力”,可编程塑料将展现更多的功能。

“例如,现在所有的3D打印都是从液体材料到固体,大家的方法则提供了一种从固体到固体的可能性。”谢涛拿起一张名片卡在大拇指和食指中间,然后轻轻一夹,名片变成了拱形。“让材料从二维变成三维,有时候就这么简单。”或许有一天,人类可以发明一类可以在太空中工作的3D打印机,它一边“吃”着塑料饼干,一边“吐”出一堆造型复杂的零件。对此,课题组已经进行了初步尝试。



(撰稿人:周炜)


总访问量:10743231
XML 地图 | Sitemap 地图