方岱寧院士、陳浩森、宋維力團(tuán)隊(duì)在材料類頂級期刊Adv. Funct. Mater.上發(fā)表文章
? ? 2018 年11月17日，著名材料學(xué)期刊 《先進(jìn)功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）在線報(bào)道了北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院方岱寧院士，陳浩森副教授，和宋維力副教授合作領(lǐng)導(dǎo)研究的一種全新的基于電化學(xué)精確控制的，硅基電化學(xué)-力學(xué)-光學(xué)耦合仿生變色器件。 該項(xiàng)研究基于全新的電化學(xué)-力學(xué)耦合變色調(diào)控機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了可見光寬頻段精確調(diào)控，并具有獨(dú)特的彩色/銀色切換功能。
? ? 近年來，具有精確調(diào)控寬頻帶顯色材料和器件吸引了越來越多研究人員的關(guān)注。仿生結(jié)構(gòu)變色材料在偽裝工程，信號通訊，以及熱控領(lǐng)域展示出了廣泛的應(yīng)用前景。目前，大多數(shù)的仿生結(jié)構(gòu)變色材料需要復(fù)雜的制備工藝，特定多種材料的融合，其調(diào)控范圍僅針對可見光的特定頻段區(qū)間，甚至有些仿生結(jié)構(gòu)變色器件往往是預(yù)先設(shè)計(jì)的，難以實(shí)現(xiàn)自主變色調(diào)控功能。
圖1.通過模擬章魚皮膚變色機(jī)理設(shè)計(jì)電化學(xué)精確調(diào)控變色硅膜
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? ? 大自然中有多種能夠自適應(yīng)變色偽裝的生物，以章魚為例，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時，章魚能夠通過主動調(diào)控皮膚細(xì)胞中蛋白質(zhì)的體積來改變光在不同界面的相位差，從而實(shí)現(xiàn)皮膚變色。方岱寧課題組通過設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定可逆膨脹的硅膜電極，模仿章魚皮膚變色機(jī)理，巧妙地利用嵌鋰電位（<1 V），精確控制鋰離子在硅薄膜中的脫嵌行為，實(shí)現(xiàn)硅膜的高精度體積變化調(diào)控，改變硅膜結(jié)構(gòu)對光線反射產(chǎn)生干涉消光條件，獲得一系列絢麗色彩。值得一提的是，調(diào)控硅薄膜中的嵌鋰程度，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉或開啟光線干擾作用，器件可以實(shí)現(xiàn)彩色至銀色的切換功能。
? ? 該團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)和理論模擬進(jìn)一步研究了該仿生變色器件中的電化學(xué)力學(xué)耦合變色機(jī)理。采用橢偏儀測試了其不同鋰化程度下的納米硅薄膜的光學(xué)常數(shù)（折射率和消光系數(shù)），以及相對應(yīng)的納米硅薄膜的厚度，驗(yàn)證了鋰化納米硅薄膜的化學(xué)演化過程。通過建立光學(xué)理論模型，預(yù)測出不同嵌鋰程度下的器件反射率，其預(yù)測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該仿生變色器件的調(diào)控機(jī)理。
圖2.光學(xué)理論模型建立
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? ? 該仿生結(jié)構(gòu)變色器件具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用前景，改變硅薄膜的初始厚度和導(dǎo)電集流體顏色，可以任意定制所需要的顏色調(diào)控范圍。通過光刻技術(shù)，可以定制各種顯色圖案。并且，該變色系統(tǒng)和硅基鋰離子電池具有良好的兼容性，在硅基鋰離子電池的可視化實(shí)時監(jiān)控中也有巨大的應(yīng)用前景。
圖3.變色器件在光學(xué)顯示中的應(yīng)用
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? ? 該項(xiàng)研究成果首次報(bào)道了納米硅薄膜在嵌鋰過程中的變色現(xiàn)象，揭示了其中的電化學(xué)力學(xué)耦合變色機(jī)理，設(shè)計(jì)制備了基于硅負(fù)極的仿生變色器件，為今后的仿生結(jié)構(gòu)變色材料的研究開辟了一個全新的方向。該課題組研究人員認(rèn)為，進(jìn)一步優(yōu)化變色薄膜的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更高穩(wěn)定性的仿生結(jié)構(gòu)變色器件。同時獨(dú)特的電化學(xué)力學(xué)調(diào)控變色機(jī)理具有極強(qiáng)的普適性，可以適用于具有脫嵌鋰體積收縮膨脹效應(yīng)的其他材料。
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