方岱寧院士、陳浩森、宋維力團隊在材料類頂級期刊Adv. Funct. Mater.上發(fā)表文章
? ? 2018 年11月17日，著名材料學期刊 《先進功能材料》 （Advanced Functional Materials, 2018, 1806383.）在線報道了北京理工大學先進結構技術研究院方岱寧院士，陳浩森副教授，和宋維力副教授合作領導研究的一種全新的基于電化學精確控制的，硅基電化學-力學-光學耦合仿生變色器件。 該項研究基于全新的電化學-力學耦合變色調控機理，實現了可見光寬頻段精確調控，并具有獨特的彩色/銀色切換功能。
? ? 近年來，具有精確調控寬頻帶顯色材料和器件吸引了越來越多研究人員的關注。仿生結構變色材料在偽裝工程，信號通訊，以及熱控領域展示出了廣泛的應用前景。目前，大多數的仿生結構變色材料需要復雜的制備工藝，特定多種材料的融合，其調控范圍僅針對可見光的特定頻段區(qū)間，甚至有些仿生結構變色器件往往是預先設計的，難以實現自主變色調控功能。
圖1.通過模擬章魚皮膚變色機理設計電化學精確調控變色硅膜
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? ? 大自然中有多種能夠自適應變色偽裝的生物，以章魚為例，當外界環(huán)境發(fā)生改變時，章魚能夠通過主動調控皮膚細胞中蛋白質的體積來改變光在不同界面的相位差，從而實現皮膚變色。方岱寧課題組通過設計具有穩(wěn)定可逆膨脹的硅膜電極，模仿章魚皮膚變色機理，巧妙地利用嵌鋰電位（<1 V），精確控制鋰離子在硅薄膜中的脫嵌行為，實現硅膜的高精度體積變化調控，改變硅膜結構對光線反射產生干涉消光條件，獲得一系列絢麗色彩。值得一提的是，調控硅薄膜中的嵌鋰程度，可以實現關閉或開啟光線干擾作用，器件可以實現彩色至銀色的切換功能。
? ? 該團隊通過實驗和理論模擬進一步研究了該仿生變色器件中的電化學力學耦合變色機理。采用橢偏儀測試了其不同鋰化程度下的納米硅薄膜的光學常數（折射率和消光系數），以及相對應的納米硅薄膜的厚度，驗證了鋰化納米硅薄膜的化學演化過程。通過建立光學理論模型，預測出不同嵌鋰程度下的器件反射率，其預測結果和實驗測試吻合，進一步驗證了該仿生變色器件的調控機理。
圖2.光學理論模型建立
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? ? 該仿生結構變色器件具有很強的設計應用前景，改變硅薄膜的初始厚度和導電集流體顏色，可以任意定制所需要的顏色調控范圍。通過光刻技術，可以定制各種顯色圖案。并且，該變色系統(tǒng)和硅基鋰離子電池具有良好的兼容性，在硅基鋰離子電池的可視化實時監(jiān)控中也有巨大的應用前景。
圖3.變色器件在光學顯示中的應用
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? ? 該項研究成果首次報道了納米硅薄膜在嵌鋰過程中的變色現象，揭示了其中的電化學力學耦合變色機理，設計制備了基于硅負極的仿生變色器件，為今后的仿生結構變色材料的研究開辟了一個全新的方向。該課題組研究人員認為，進一步優(yōu)化變色薄膜的結構，可以實現更高穩(wěn)定性的仿生結構變色器件。同時獨特的電化學力學調控變色機理具有極強的普適性，可以適用于具有脫嵌鋰體積收縮膨脹效應的其他材料。
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