大皖新聞訊 在日常生活中，隨著季節變化，我們可以看到植物葉片顏色的轉變，從春天的嫩綠色到秋天的金黃色，這些顏色變化給我們的生活帶來了無盡的驚喜。然而，你是否知道，這看似簡單的顏色變化背后，實際上涉及了一系列復雜的物理和化學過程。這些過程是如何與科學技術的發展相結合，創造出新型實用仿生材料的呢？

近日，中國科學技術大學葉宏、龍林爽團隊經過長期探索和深入研究，成功研發出一種新型的變色仿生材料（圖1），這種材料能夠模擬植物葉片的顏色變化，并具有與植物葉片相似的太陽光譜反射特征和紅外發射特征。這一科研成果不僅標志著植被光譜仿生材料的重要突破，也為我們揭示大自然的奧秘提供了全新視角。

▲圖 1 實現可逆變色的仿生植株

這項研究源于研究人員對植物葉片光譜特征形成機理的深入理解，在前期工作中，他們發現植物葉片的太陽光譜反射特征與色素和水分對入射輻射的吸收過程，以及細胞堆疊結構對入射輻射的散射過程有關。此外，他們還發現植物葉片的蒸騰過程對植物葉片的溫度調控起到關鍵作用，從而影響其紅外發射特征。在了解了這些基礎知識后，研究人員嘗試將這些理論應用于實踐中，成功研制出了能夠模擬綠色植物背景太陽光譜反射特征和紅外發射特征的仿生材料。

以上研究都只關注了綠色植物葉片，對于植物來說，尤其是落葉植物，葉片變色現象非常普遍。研究發現，植物葉片的顏色變化主要源于葉片內部色素含量的變化。在春夏季節，葉片內的葉綠素含量較高，這種綠色色素會掩蓋其他顏色的色素，使葉片呈現出綠色。然而，當秋季來臨，葉綠素開始分解，細胞內的胡蘿卜素等色素顏色開始顯現，使得葉片逐漸呈現出金黃色。研究團隊從這個自然現象中受到啟發，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）。

▲圖 2 變色仿生材料的設計思路

在這個模型中，綠色動態顏料具有兩種顏色狀態：著色狀態和褪色狀態。當綠色顏料處于著色狀態時，它會覆蓋黃色靜態顏料，使材料呈現出綠色。而當綠色顏料褪色時，黃色靜態顏料的顏色就會顯現出來，使材料呈現出黃色?；谠摲律枷耄芯繄F隊利用熱致變色微膠囊顏料與鈦鉻黃顏料復合，通過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，且具有雙穩態特性，在常見的戶外環境中綠色和黃色兩種色態能穩定存在，這是在之前研究基礎上的一次重大突破。

在實現變色現象的基礎上，研究人員進一步發展顆粒系輻射傳輸模型，設計了材料中的顏料顆粒配比，使其模仿葉肉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。同時，借助基材的親水特性，仿生材料可以吸收空氣中的水分，模擬植物葉片的水分吸收谷特征。

此外，仿生材料還可以隨環境中的濕度變化進行水分吸附和脫附，模擬植物葉片的水分蒸騰進行溫度調控，與天然葉片的紅外特征一致。這項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。相關成果已發表在國際期刊《微尺度》(Small）上。

這項研究的成功，標志著我們在模仿大自然的道路上邁出了重要一步。我們所熟悉的大自然，其實是一個充滿了奇妙現象的寶藏庫，只要用心去探索，就能從中找到無盡的靈感和創新的思路。在這項研究中，研究人員從植物葉片的顏色變化中找到靈感，創造出了新型變色仿生材料，無疑是對大自然最好的致敬。期待這種新型高光譜仿生變色材料在未來能夠帶來更多的驚喜和應用，同時，也期待科研人員能夠在模仿大自然的道路上越走越遠，為我們的生活帶來更多的創新和變革。

大皖新聞記者 陳牧

編輯 徐海燕