大自然是最偉大的設(shè)計(jì)師，為人們?cè)O(shè)計(jì)多功能、高性能的材料提供了啟發(fā)。因此，仿生設(shè)計(jì)得到了科學(xué)家們的高度重視，很多研究通過(guò)對(duì)自然界中動(dòng)植物的模仿取得了很多突破性的成果。目前，模仿昆蟲角質(zhì)層結(jié)構(gòu)的功能材料的仿生設(shè)計(jì)仍處于起步階段。科學(xué)家們?cè)谠S多昆蟲的的表皮中發(fā)現(xiàn)了扭曲的膽甾型液晶圖案，但要想實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的精確復(fù)制卻非常困難，因?yàn)椴贿B續(xù)的圖案和顏色必須在沒(méi)有結(jié)構(gòu)的不連續(xù)的單層中共存，這就需要能控制具有高度多功能性的納米和微米級(jí)圖案的設(shè)備及工藝。不僅如此，材料的選取也面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)榛铙w生物自身僅使用幾種化學(xué)元素（通常為C、H、O、N、P和S）就構(gòu)成許多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。對(duì)其仿生必須考慮到環(huán)境因素以及工業(yè)批量生產(chǎn)上材料的可回收性。
法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的Michel?Mitovi等人使用液晶低聚物來(lái)模擬生物的膽甾型液晶圖案，并試圖重現(xiàn)這些生物液晶的質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和顏色特性。該研究基于自組織的單個(gè)序列，可以精確控制兩種不同的由彩色圖案組成的單件樣品結(jié)構(gòu)。
兩種材料的功能性都與光通訊和傳輸有關(guān)，因此該研究還介紹了該材料在密碼學(xué)中用于高級(jí)光學(xué)標(biāo)簽的具體應(yīng)用。該研究以題為“Biomimetic design of iridescent insect cuticles with tailored, self-organized cholesteric patterns”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
作者重點(diǎn)研究了甲蟲（圖1c）的標(biāo)志性圖案，其表皮分別顯示綠色和銀色帶，分別具有選擇性和寬廣的光反射。綠帶在光學(xué)顯微鏡圖像中顯示出蜂窩狀多邊形紋理，而銀帶則顯示出無(wú)圖案的平面紋理（圖1d）。對(duì)于綠色帶，表皮的上部顯示彎曲的條紋，這意味著螺旋軸的方向在空間上變化，并且在大多數(shù)表皮區(qū)域具有平行的條紋。對(duì)于銀帶，條紋在角質(zhì)層的整個(gè)幾丁質(zhì)部分平行，螺旋軸的方向固定。
這樣的生物構(gòu)造能使甲蟲幾乎360°呈綠色，這可以避免綠葉中的天敵掠食。并且綠色-銀色圖案非常適合它的棲息地，因?yàn)槎潘蓸?shù)的葉子是綠色的并且?guī)в邪咨珮?shù)脂斑點(diǎn)，為它提供了有效的保護(hù)。
總之，仿生設(shè)計(jì)需同時(shí)解決顏色和結(jié)構(gòu)特性。仿生材料必須為單層，顯示出扭曲結(jié)構(gòu)在所有方向上的連續(xù)性，反射顏色的范圍需從綠色到近紅外。
作者選用具有硅氧烷骨架的可玻璃化膽甾醇低聚物。在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的情況下將樣品從粘性膽甾相快速冷卻至室溫，可防止結(jié)晶并保留膽甾醇的結(jié)構(gòu)和顏色。仿生設(shè)計(jì)涉及五個(gè)階段（圖2b）。
- 第1階段：在室溫下組裝由膽甾型薄膜制成的樣品，該薄膜涂覆在彼此的玻璃基板上，分別反射綠色和紅外光。
- 第2階段：將夾層樣品在120°C的溫度下加熱30秒，以將薄膜粘合在一起。
- 階段3：在室溫下淬滅樣品后，除去上層基板。
- 階段4：水溶液中各向同性聚合物聚乙烯醇的間隔帶沉積在雙層膜的自由表面上。
- 階段5：將水溶液干燥后，將雙層膜在膽甾相中于120°C加熱1h。
- 最后，將薄膜在室溫下淬火，結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性在固態(tài)玻璃膜中得以保持。
作者在薄膜的自由表面上繪制間隔開(kāi)的帶，從而獲得綠色和銀色的交替帶?；蛘呖梢詫钅z帶固定在薄膜表面，然后將溶液旋涂。
在溶液完全干燥之前，將膠帶除去。因此可以繪制除帶以外的許多圖案，這為設(shè)計(jì)反射圖案提供了廣泛的選擇。
昆蟲和人類在能量調(diào)節(jié)和光通信方面有著共同的關(guān)注點(diǎn)。仿生樣品的制造激發(fā)了作者在密碼學(xué)和加密領(lǐng)域設(shè)計(jì)標(biāo)簽方法的靈感。圖形和頻譜編碼的標(biāo)簽因其高編碼能力和廣泛的適用性而成為攜帶標(biāo)簽產(chǎn)品信息的可靠工具。
將具有物理不可克隆功能的防偽標(biāo)簽集成到對(duì)象中是對(duì)其進(jìn)行身份驗(yàn)證的有效解決方案，這就需要產(chǎn)生不可克隆的圖案。作者通過(guò)對(duì)昆蟲角質(zhì)層的仿生，提供了兩種尺度的與圖案相關(guān)的物理方法和要實(shí)施的技術(shù)解決方案（圖4a，b）：從毫米到微米，以不同的比例編碼和隱藏具有不同顏色的標(biāo)記。
由于細(xì)胞的相對(duì)位置、大小和光學(xué)圖案是唯一的，因此所得到的標(biāo)簽是不可克隆且不可預(yù)測(cè)的，滿足了防偽標(biāo)簽的要求。
總結(jié)：作者通過(guò)使用膽甾型液晶低聚物，設(shè)計(jì)了一種模仿甲蟲條紋表皮的單層材料，并且再現(xiàn)了其質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和顏色特性。兩種材料的功能都與光通信和偽裝主題有關(guān)，可應(yīng)用于加密領(lǐng)域設(shè)計(jì)的光學(xué)標(biāo)簽。該研究的設(shè)計(jì)策略本著生態(tài)設(shè)計(jì)的原則對(duì)資源實(shí)現(xiàn)了最佳利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前制造技術(shù)無(wú)法達(dá)到的多功能復(fù)雜圖案的設(shè)計(jì)。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-17884-0
