AdvSci|电致变色仿生皮肤新研究

头足类动物可以通过受体、神经网络和色素效应器之间的高速电子转导来改变皮肤颜色。然而，实现像头足类动物那样的神经电传输系统仍然具有挑战性，其中电子/离子在纳米尺度上传输，这对于快速自适应电致变色调谐至关重要。

2024年8月12日，杭州师范大学黄又举、宋丽平、Wu Shuangshuang共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Cephalopods’ Skin-Inspired Design of Nanoscale Electronic Transport Layers for Adaptive Electrochromic Tuning”的研究论文，该研究介绍了一种理想的、快速响应的、多色的电致变色仿生皮肤。

具体而言，仿生皮肤包括无色或蓝色的W18O49纳米线(NW)、从绿色到粉红色的金纳米粒子@聚苯胺(AuNPs@PANI)和柔性导电基板。当施加的电压从0.4V变为-0.7V并回到0V时，仿生皮肤的颜色从绿色变为蓝色，最终变为粉红色。这种颜色变化归因于AuNPs@PANI和W18O49NW的电诱导氧化还原反应，该反应由电子和离子的转移引发。此外，电刺激的高多功能性和适应性使得能够通过集成灵敏的声学传感器来创建高度交互的电致变色仿生皮肤系统，从而提供完美的环境响应平台。这项工作提供了一种依赖于纳米级电子/离子转移的仿生多色电致变色皮肤，拓展了伪装皮肤的潜在用途。

柔性智能变色系统具有灵活性、可控的刺激响应和多色显示等特点，在智能传感、信息安全、动态伪装等多个领域具有重要意义。目前普遍采用的方法是将智能材料集成到基底中，包括光致变色、热致变色和电致变色材料，这些材料能够改变其颜色。然而，依靠光或热来变色的系统往往涉及复杂的能量转换过程，如光伏转换和光热转换，这会导致不必要的能耗和切换速度缓慢。

幸运的是，这些限制可以通过开发电致变色系统来有效克服。Zhao等人设计了一种Janus结构的双面电致变色装置，其两面呈现出截然不同的着色状态。尽管已报道了许多电致变色系统，但它们在仿生皮肤中的应用仍然有限。这可能归因于以下原因：1）电致变色仿生皮肤中的电子/离子转移过程受到电解质和电极之间有限接触面积的限制，从而严重影响响应速度和循环稳定性。2）尽管已报道了许多具有宽色域和快速响应时间的电致变色系统，但它们往往缺乏环境交互性和智能性。因此，探索纳米材料以增强接触面积，进而开发智能系统至关重要，这与电致变色材料的需求不谋而合。

某些生物能够利用受体之间的高速电子传导来改变其皮肤颜色或身体形态，这对实现自卫、伪装、交流和其他基本生物过程起着关键作用。这些迷人的自然现象启发了研究人员设计仿生结构和材料。头足类动物被认为是最聪明的无脊椎动物，其惊人的结构变色能力归功于其皮下组织中各种类型的色素细胞及其错综复杂的多层结构通过神经电传输系统的存在。如图1a所示，章鱼的动态伪装是通过其神经调节的反射弧来实现的。首先，它们的视觉和听觉系统作为感觉受体，快速评估复杂环境并将视觉和声音信号转换为电脉冲。随后，这些脉冲通过电子/离子传导过程传递到神经系统，神经系统产生相应的控制命令。最后，随着电子/离子信号到达皮肤表面，不同色素细胞层周围的肌肉细胞被激活，导致皮肤颜色发生变化。因此，设计柔性电致变色仿生皮肤，受到头足类皮肤结构和电子/离子传输机制的启发，是提高其传输速率和刺激响应能力的有效策略。

结构示意图（图源自Advanced Science ）

在本文中，作者介绍了一种柔软的电致变色仿生皮肤，它采用纳米线(NW)和纳米粒子(NPs)逐层组装来模拟人工色素细胞的功能。通过利用纳米级电子/离子传输机制作为神经电信号，我们可以根据需求触发颜色调节。为了设计纳米级人工色素细胞，我们将封装在导电聚苯胺壳中的AuNPs自组装层(AuNPs@PANI)与W18O49NWs紧密耦合，利用两个纳米层之间的疏水相互作用力。如图1b所示，当施加−0.7V电压时，电子最初穿过柔性基板流向AuNPs@PANI层，从而引发从绿色到粉色的转变。几乎同时，电子进入W18O49NWs层，促进H+离子从周围溶液迁移到NWs中。

这一过程导致颜色从无色变为蓝色，同时透明度降低。最终，纳米级人工色素细胞内会发生叠加的颜色变化，从绿色变为蓝色。相反，当电压切换到0.4V时，颜色会反转。重要的是，这种人工色素细胞所表现出的颜色多样性可以通过调整所用金的形状和大小、聚苯胺和W18O49NWs的厚度以及设备的电化学参数进行微调。此外，利用热辅助平面纳米结构转移印刷技术，电致变色人工色素细胞可以轻松转移到各种导电基底上，进一步展示了其卓越的灵活性。为了进一步增强其环境响应能力，仿生皮肤中集成了声音传感器，使其能够根据环境声音动态改变颜色。这为智能伪装领域提供了潜在的应用。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202405444