前瞻经济学人 看懂未来新十年

打开APP

天津大学封伟教授、王玲教授团队《AM》综述 | 超越视野:仿生红外智能材料

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿  来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

近日,天津大学材料科学与工程学院封伟教授、王玲教授团队与美国肯特先进材料和液晶研究所李全院士合作,在国际权威材料期刊《Advanced Materials》(IF= 27.398)上发表题为“Beyond the Visible: Bio-Inspired Infrared Adaptive Materials”的重要综述文章,系统总结了仿生红外智能材料的研究进展及其在红外隐身、辐射降温和红外光响应智能材料与器件等领域的潜在应用。

光是万物色彩之源,光照亮了世界并给我们带来了生命和希望,没有光就没有这个五彩斑斓的缤纷世界。光的物理本质是一种电磁波,其中,波长在400-760 nm(纳米)的部分可以被我们的视觉器官——眼——所接受,并作出视觉反应,通常被称为可见光。色彩是可见光的作用所导致的视觉现象,可见光刺激眼睛后可引起视觉反应,使人感觉到色彩和知觉空间环境。电磁波频率是无限的,而人类视觉系统可探测到的可见光线仅仅是自然界整个电磁波波谱中的九牛一毛,举个例子,假设电磁波谱的总范围是从首都北京到七彩云南的一条直线实际距离,可见光就像是在其中用铅笔画了一个点儿的范围大小。可见光以外的无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、γ射线等电磁波,虽然我们的眼睛看不到,各个波段都在我们生活中发挥其独特的作用。例如,无线电波用于卫星通信,微波用于快速加热,红外线用于遥控和热成像仪,紫外线用于医用消毒,X射线用于CT照相,γ射线用于治疗等。值得一提的是,非接触式红外测温仪,也就是人们俗称的手持耳温与额温枪,在新冠肺炎疫情防控中发挥着无可替代的重要作用。

红外线(Infrared)是波长介于可见光与微波(无线电波)之间的电磁波,单位常用微米(μm)表示,范围为0.76-1000 μm,即760 nm到1毫米(mm)之间(如图1e所示)。红外线按波长可分为近红外(NIR,0.76-1.5 μm),短波红外(SWIR,1.5-3 μm),中红外(MWIR,3–8 μm),长波红外(LWIR,8–15 μm)和远红外(FIR,15–1000 μm)。实际上,通常用于红外测温的一般在0.76微米-14微米的近红外波段。红外光也被称作红外辐射或热辐射,这是由于在绝对零度(-273℃)以上的物体都会辐射红外能量,我们虽然无法看到红外光,却能以热的形式感受它的存在。红外光与我们的生活息息相关,我们每天使用的遥控器常以940 nm红外光发射信号,太阳以红外辐射方式把热量输送到地球,气象卫星利用扫描辐射计获取红外图像以监测大气污染,红外望远镜可帮助我们观察到浩瀚璀璨的银河星球等。

自然界中,许多生物具有惊人的红外适应(Infrared Adaptation)“超能力”, 它们既能够灵敏感知或吸收外部的红外辐射,也可以随心所欲地调节自身的红外热辐射。例如,“黑暗杀手”响尾蛇,能够迅速感知温血动物的红外热辐射,从而在黑暗中成功猎捕食物;“隐身大师”鱿鱼等头足类动物,可以通过快速响应神经信号,重新排列其真皮层中的色素团与环境匹配,因而具有出色的伪装和隐身能力;生活在撒哈拉沙漠的“降温高手”银蚁,不仅能够在极端炎热的环境中有效地反射太阳光,还可以直接向外太空发散红外热辐射,从而保持自身凉爽并做到不惧酷暑。受自然界生物系统的红外智能响应与调控超能力的启发,近年来研究人员在仿生红外智能材料领域一系列突破性进展,并有望在智能隐身、辐射降温、生物医学和软体机器人等领域获得重要应用。

1

图1. 生物系统的红外辐射适应 “超能力”、电磁波和红外光谱以及红外技术潜在应用。

图片

自然界中变色龙可以根据外界环境随心所欲地改变皮肤颜色,乌贼和章鱼等头足类动物能够实时改变身体颜色和图案,从而实现与周围环境完全融为一体的动态伪装。动物的变色得益于皮肤中的两种细胞:色素细胞以及能扩大和收缩的反光细胞。色素细胞含有不同颜色的色素,在神经刺激下会使不同色素在各层之间交融变换,实现颜色变化。反光细胞内含有周期性排列的纳米晶体结构,因此呈现光子晶体结构色,皮肤的收缩或扩张可以改变纳米晶格间距,从而选择性反射不同波长的光,达到变色伪装的目的。扩大和收缩的程度就决定了被反射的光波长的变化程度。随着红外传感技术的发展,人们不只追求可见光波段的变色隐身,红外隐身也日益成为世界各国科学家的研究焦点,具有极其重要的潜在应用价值。根据Stefan-Boltzmann方程P = εσT4,(σ 为Stefan-Boltzmann 常数),物体表面的辐射能P与辐射率ε 和表面温度T的四次方成正比,因此可以通过调控辐射率或温度来实现红外隐身。受自然界章鱼红外隐身机制的启发,科学家们发展了一系列有效的辐射率调控策略,即在外界刺激如机械力或电场等作用下,通过材料的收缩或扩张改变表面微观结构,从而调控发射率。本章重点介绍了面向自适应红外隐身的材料辐射率动态调节策略,以及通过隐身斗篷来实现红外隐身的最新研究进展。

1

图2. 仿生红外智能材料及其红外隐身应用

图片

如何在炎炎夏日有效散热并保持环境凉爽,关系到建筑物能耗、空调制冷、甚至于地球的温室效应。自然界中撒哈拉银蚁能够无惧高温,在近70℃酷热干旱的沙漠环境中,始终维持体温在53.6℃以下,发出铿锵有力的生命之声,这卓越的降温本领让人称赞惊叹。研究发现银蚁“银闪闪”的外表就是它们的盔甲,它们的毛发具有特殊的三角形横截面结构,可以有效地反射波长在400 nm至2 μm的可见光和近红外辐射,同时赋予银蚁体表极高的热辐射率,使其可以向外界辐射波长为6-16 μm的中红外辐射,进一步达到降温的目的。通过效法银蚁,研究者近年来在辐射降温技术领域取得突破性进展,即通过增强材料表面对太阳光的反射和在大气窗口的红外辐射,使物体的温度低于周围环境温度。一般而言,当电磁波穿过大气层时会发生反射、吸收和散射,但某些波段具有极高的透射率,这些波段就被称为大气窗口。在构筑辐射降温材料时,最常用到的是8-13 μm的大气窗口。研究者们希望能借助对阳光的高效反射和热辐射来为车辆、建筑、衣物和高温仪器等进行降温。辐射降温材料在建筑节能和智能织物等领域均具有极其重要的应用价值。

3

图3. 仿生红外智能材料及其辐射降温应用

3

近红外光(NIR)是介于可见光和中红外光之间的电磁波,其波长一般在780~2526nm范围内,近43%的太阳辐射为红外光。相对于紫外或可见光,近红外光不仅具有更深的组织穿透深度而且对生物组织或材料的伤害更小。因此,近红外光是生物医学和光响应智能材料应用中非常理想的光波段。通过开发近红外光响应材料,实现对材料微纳结构的近红外光智能调控在生物医学、软体机器人和超分子自组装等领域具有重要的应用价值。本章重点介绍了近红外光智能材料在光热治疗、光动力治疗、光控药物释放、光遗传学以及光驱动软体机器人和光控超分子自组装等领域的最新研究进展。

1

图4. 近红外光调控先进液晶智能材料

图片

该综述系统总结了仿生红外智能材料的最新研究进展及其在红外隐身、辐射降温和红外光响应材料与器件等领域的潜在应用。文章聚焦红外光与物质的相互作用这一基本科学问题,阐述了材料对红外光的智能调控机理以及近红外光对材料微纳结构的智能调控作用。通过总结红外隐身、辐射降温、近红外光调控智能材料与器件等领域的发展现状,作者提出了对仿生红外智能材料的新思考和未来发展方向。天津大学为本论文第一单位,论文第一作者为天津大学杨佳佳博士,通讯作者为天津大学王玲教授,封伟教授和美国肯特先进材料与液晶研究所李全院士。相关研究获得国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目支持。

文章信息:Jiajia Yang, Xinfang Zhang, Xuan Zhang, Ling Wang*, Wei Feng* and Quan Li*. Beyond the Visible: Bioinspired Infrared Adaptive Materials. Advanced Materials, 2021, 33, 202004754. DOI: 10.1002/adma.202004754.

全文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202004754

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


阅读全文
打开APP,享受沉浸式阅读体验

提问研究员

一键提问研究员,零距离互动交流

我要提问
1

App数据库能为你做什么?

看看用户怎么说

2

App问答能为你做什么?

看看用户怎么说

3

App报告能为你做什么?

看看用户怎么说

4

App文章能为你做什么?

看看用户怎么说

相关阅读