視頻：一張寫入二維“密”碼的透明薄膜
羅丹說，生活中不是缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛。隨手找一個礦泉水瓶放到偏振鏡下，你可能會看到五彩斑斕的圖案。對于這些隨機而自由的顏色，浙江大學化工學院謝濤教授課題組提出一種精確“編碼”的方法。他們發(fā)明的可編程塑料，可以通過數(shù)字化調(diào)控其內(nèi)部應(yīng)力，任意植入精致的“隱形”圖案。
相關(guān)論文于今年10月1日在《自然通訊》雜志在線發(fā)表。浙大化工學院謝濤教授課題組通過編碼無“色”之色，向人們展示了二維碼、奔馬還有蒙娜麗莎的微笑。論文第一作者為博士生張國高。
看不見的蒙娜麗莎
張國高給記者展示了一張硬幣大小的塑料片，透明的，看起來和手機貼膜并無二致。但隔著偏振鏡片看，竟能看到一個清晰的二維碼。換一張看，是一只彩色的蝴蝶，再來一張，蒙娜麗莎的微笑……
“我們并沒有在材料里加入顏料，也沒有改變材料表面的的微觀結(jié)構(gòu)（注：區(qū)別于結(jié)構(gòu)色），有圖案是因為——應(yīng)力。”張國高說，應(yīng)力在塑料制品中普遍存在，這是工藝原因不可避免帶入的，日后會以翹曲、變形、甚至開裂的形式釋放出來，這是塑料制品不耐用的原因之一。
圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
最早發(fā)現(xiàn)抽象的應(yīng)力可以被看見，是一位19世紀的蘇格蘭物理學家David Brewster，也是萬花筒的發(fā)明者，他第一次記錄了：當向玻璃施加一個臨時的壓力，會出現(xiàn)彩色的紋路。
因為應(yīng)力的存在，透明材料內(nèi)部各個方向上的折射率會不同，光線穿過材料時，會發(fā)生雙折射而“拆分”為不同偏振方向的光線。這樣，借助于偏振鏡片，我們就看到了塑料制品斑斕的樣子。基于這一原理，科學家發(fā)明了光測彈性儀，通過“讀取”塑料、玻璃等材料的顏色，來分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布，是一種被廣泛應(yīng)用的材料性能分析手段。
“在這項工作中，我們希望主動去控制應(yīng)力，而不是被動地去觀測，”謝濤說，課題組找到了一種數(shù)字化控制應(yīng)力的方法，賦予材料更多意想不到的功能。
圖：通過數(shù)字化控制應(yīng)力方法“印刷”的各種圖案
一張一弛，用“力”作畫
謝濤課題組是在一種動態(tài)共價鍵聚合物網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)應(yīng)力“編碼”的。你可以將之理解為一張高分子膜，內(nèi)部是由很多長長的分子鏈組成的“毛線團”。科學家對其內(nèi)部進行應(yīng)力的存儲和釋放操作，從而做出精致的圖案。
視頻：不用的應(yīng)力呈現(xiàn)不同的色彩
第一步是存儲應(yīng)力。在60攝氏度附近，研究人員將這張膜均勻拉伸。“‘毛線團’被拉伸后，分子間的相對位置發(fā)生了變化，分子鏈具有變回起始位置的趨勢，應(yīng)力由此而生，并存儲下來。’”張國高說。均勻存儲了應(yīng)力的塑料膜，在偏振鏡下觀看是一張素色的“底片”。
第二步，釋放應(yīng)力。依靠激光打印機，在聚合物膜上打印出不同灰度的圖案，并在紅外光下照射，就能在素色底片上定點“消除”應(yīng)力。在紅外光下，打印機的油墨是能夠產(chǎn)熱的，因此打印機通過灰度的變化，控制了底片上每個像素點的溫度。“因為灰度的不同，每個像素點的溫度也會不同。”張國高解釋，在這一過程中，高分子鏈以像素點為單位，毛線團斷開并重新接起來。“這樣，應(yīng)力就釋放了。”
更令人驚喜的是，溫度的差異，讓每個像素點應(yīng)力的釋放程度有所不同。于是應(yīng)力并不是“有”和“無”的區(qū)別，而是呈現(xiàn)精細的梯度變化。這樣一來，圖案就從灰度“轉(zhuǎn)碼”為應(yīng)力分布，進而在材料中形成預(yù)設(shè)的“隱形”圖案。
在論文中，課題組將這種原理產(chǎn)生的顏色稱之為mechanical colour。我們暫且可以把它翻譯為“機械色”，一種全新的色彩體系。
色彩之外的可能
“在材料中，應(yīng)力通常是被動引入的、不可控的一種因素。我們則把這種力控制起來，進行‘編碼’操作，去產(chǎn)生更多的功能。”謝濤說，第一個可見的應(yīng)用，就是實現(xiàn)信息的隱形存儲。“只有借助于偏振鏡片，我們才能看見材料存儲的圖案。”
“這種顏色不是來源于色素，也不同于蝴蝶翅膀上的結(jié)構(gòu)色。”浙大光電學院一位學者對這項研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，他認為，讓物體表現(xiàn)不同的顏色是一個非常有趣的領(lǐng)域，這項研究通過一種非常新穎的路徑實現(xiàn)了它。“在柔性電子制造，我們或許可以通過這種方法來制備一些傳統(tǒng)方法不易加工出來的器件。”
“研究的核心，是找到了一種數(shù)字化控制材料內(nèi)部應(yīng)力分布的方法。”張國高認為，應(yīng)力與材料的光學性能、電學性能與結(jié)構(gòu)等都存在關(guān)聯(lián)。通過“編碼”應(yīng)力”，可編程塑料將展現(xiàn)更多的功能。
“例如，現(xiàn)在所有的3D打印都是從液體材料到固體，我們的方法則提供了一種從固體到固體的可能性。”謝濤拿起一張名片卡在大拇指和食指中間，然后輕輕一夾，名片變成了拱形。“讓材料從二維變成三維，有時候就這么簡單。”或許有一天，人類可以發(fā)明一類可以在太空中工作的3D打印機，它一邊“吃”著塑料餅干，一邊“吐”出一堆造型復(fù)雜的零件。對此，課題組已經(jīng)進行了初步嘗試。
