创新点：团队开发了一种受鸟类羽毛启发的磁控变色微米板阵列，该方案通过微观结构的角度变化实现了快速精确的宏观磁控变色和图案显示。为设计新型高性能变色器件提供了新思路。
关键词：光子晶体，动态结构色，仿生，磁场控制，微米板阵列
自然界中的生物具有多种多样的结构色，这些结构色来源于微纳结构对光的调制，包括干涉，衍射，光子晶体等。相比于染料色，结构色具有动态可调的特性。结构色可以通过多种因素调节，如材料折射率，纳米结构周期，入射及观察角度等。受生物体结构色的启发，科学家们开发出了多种由外部刺激（光、热、电、磁、湿度等）控制的动态结构色器件。在实际应用中，能量效率和响应速度往往是需要重点考虑的因素。最近，中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学院重点实验室宋恺研究员课题组受蜂鸟羽毛随角度变化的动态结构色启发，开发了一种表面覆盖光子晶体层的磁控微米板阵列，通过微观结构的角度变化实现了快速精确的宏观磁控变色，以及高分辨率的图案显示。本工作利用了磁场响应快速、可远程控制的特点，同时利用微观结构局部角度调整来实现整体宏观变化，为高能量效率动态结构色调整提供了新思路。
图1：a) 蜂鸟羽毛的亮丽色彩及结构色变色机理 b) 磁控微米板阵列变色机理
研究团队首先将光子晶体层生长在包含硬磁性钕铁硼微粒的PDMS薄膜上，光子晶体层由聚苯乙烯纳米球组成，其反射峰具有很强的角度依赖性。通过飞秒激光切割，在复合膜上裁剪出微米板阵列，微米板长宽均为300微米。通过磁铁对微米板进行预磁化，赋予其平行于薄膜，方向从微米板根部指向头部的磁化。该磁性薄膜在垂直方向的磁场作用下，微米板从平面翘起并倾斜一定角度，随着倾斜角度的不同，薄膜整体从红色转变为绿色。在撤去磁场后，薄膜恢复为红色。在变化范围内，薄膜颜色受到磁场的精确调节。值得注意的是，得益于微米板阵列的小型化，该器件对于磁场具有快速的响应。研究团队表征了磁场微米板翘起状态与时间的关系。当磁场从0瞬时达到最大时，微米板达到最大翘起角度的时间为80ms，当磁场从最大瞬时减小到0时，微米板恢复为平面的时间为24ms。
图2. a) 微米板阵列的制备 b) 微米版阵列的磁化 c）微米版阵列的横截面结构
图3 微米板阵列的磁控变色。
利用该微米板阵列高像素密度以及可被磁场精确调节的特点，研究团队还展示了其在图案显示方面的应用。微米板的翘起角度除与磁场有关外，还与磁颗粒填充密度和薄膜厚度有关。基于此，研究团队通过在整张薄膜上设计不同厚度和磁粒子浓度的区域来预定义图案。当没有外加磁场时，微米板阵列显示出单一结构色。当磁场增加时，不同区域因翘起角度的不同而产生不同波长的结构色，隐藏的字母因此显示出来。这种磁控变色和图案显示方案在防伪、信息传递、显示等方面具有潜在的应用价值。
该研究成果以题目“Bioinspired Microplate Arrays for Magnetically Tuned Dynamic Color”发表在Advanced Optical Materials上，通讯作者为理化技术研究所龙玥副研究员和宋恺研究员。
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