植被是典型的地面背景，針對植被的高光譜材料一直是工程領域的重點和難點：一方面，植物葉片具有獨特的太陽光譜反射特征，材料需要在整個太陽光譜內與葉片光譜特征一致；另一方面，植物葉片的顏色及光譜特征會發生變化，材料需要具備變色能力。近日，中國科學技術大學工程科學學院研究團隊針對上述難題，基于仿生思想研制了一種新型高光譜變色材料(圖1)。該材料能模仿落葉植被在綠色和黃色之間的變色現象，且在兩種色態下均能復現植物葉片的太陽光譜反射特征。相關研究成果以“A Color-Changing Biomimetic Material Closely Resembling the Spectral Characteristics of Vegetation Foliage”為題在線發表在材料領域知名期刊《Small》。
 

圖 1 實現可逆變色的仿生植株
 

　　自然界中植物葉片的顏色變化特征與葉肉細胞內的色素含量變化有關。當細胞內的葉綠素含量較高時，會掩蓋其他顏色的色素，使植物葉片呈現綠色。當葉綠素因外界環境改變而分解后，細胞內的胡蘿卜素等其他色素的顏色就會顯現出來，使植物葉片呈現黃色或紅色。研究團隊從植物葉片的變色機制中獲得靈感，提出一種將綠色動態顏料與黃色靜態顏料復合的顏色變化模型(圖2)。綠色動態顏料具有著色態和褪色態兩種色態，當其呈著色態時會掩蓋靜態顏料的顏色，而當其呈褪色態時靜態顏料的顏色就會顯現。基于該仿生思想，研究團隊將熱致變色微膠囊顏料與鈦鉻黃顏料復合，利用溶液鑄膜法制備了以聚乙烯醇為基材的變色仿生材料。該仿生材料的顏色變化通過施加外部溫度刺激來切換，并且具有雙穩態特性，兩種色態均能在常見的戶外環境中穩定存在。
 

圖 2 變色仿生材料的設計思路
 

　　在實現變色現象的基礎上，團隊進一步通過發展顆粒系輻射傳輸模型設計材料中的顏料顆粒配比使其模仿葉肉細胞中細胞堆疊結構對入射輻射的散射過程，從而形成與真實葉片一致的近紅外高反射特征；借助具有親水特性的基材使仿生材料吸收空氣中的水分，從而模擬植物葉片的水吸收谷特征(圖3)。此外，仿生材料還可隨環境中濕度波動進行水分吸附和脫附，模仿植物葉片通過水分輸運進行溫度調控，與天然葉片的紅外特征一致(圖4)。該研究實現了針對落葉植被的高光譜變色仿生，在工程領域具有廣闊的應用前景。
 

圖 3 變色仿生材料(CCBM)的太陽光譜反射特征
 

圖 4 變色仿生材料的紅外特征
 

　　該論文第一作者為我校工程科學學院熱科學和能源工程系博士生黃子真。我校龍林爽特任研究員、葉宏教授和劉明侯教授為共同通訊作者。該研究得到了中國科學院人才項目和中國科大啟動經費的支持。(工程科學學院)