【奈米科技】「行動變色龍」:奈米科技讓你可以隨時改變衣服上的圖案

■假想衣服的圖案可以自由變化,衣櫃裡有沒有可能不需要那麼多衣服了呢?

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撰文|方程毅

如果戰地軍人的迷彩服能跟變色龍一樣根據當地環境進行偽裝那該有多好(但不能落入IS手裡….),在森林裡是迷彩、到荒漠上變土黃色,進到城鎮之後又換成水泥牆的顏色,是否很不可思議?

雖然聽起來新奇有趣,但你可能會想,不就是穿一件可撓曲的顯示器在身上嗎?只要有一天顯示器進步到能像衣服一樣柔軟、壽命又夠長,這並不是遙不可及的夢想。但是,顯示器是一個自己發光的元件,我們看到顯示器呈現的顏色是靠顯示器自己發的光;但變色龍可不會自己發光喔,變色龍的顏色是光線照到牠身上的反射光,有能力改變不同顏色光線照射到其表面的反射率自己卻又不會發光,才是變色龍厲害的地方。

來自中佛羅里達大學(University of Central Florida) Debashis Chanda教授的實驗室最近研發出一種不主動發光,但能透過外加電壓改變不同顏色光線反射率的元件,並發表在《奈米‧通訊》(Nature Communications)。這個元件的工作原理是利用金屬奈米結構的一個特殊性質:表面電漿共振(surface plasmon resonances),表面電漿共振源自於金屬內自由電子的集體震盪行為,這些電子的集體震盪會有特定頻率,當一道光入射到金屬表面時,若光波頻率跟自由電子的震盪頻率吻合時會產生異常吸收,異常吸收就會讓顏色變化。決定這個頻率的因素有很多,其中一項是金屬結構周圍環境的折射率,如果能夠調整周圍的折射率,就能調控其呈現的顏色。Debashis Chanda教授採用的金屬為鋁,將其製作出特殊奈米結構,形狀就像超市裝雞蛋的盒子(如圖一),有一個一個奈米凹槽,每一個凹槽代表一個畫素,凹槽內填塞物的折射率決定這個畫素對不同顏色的反射率。

圖一、元件工作原理 (a)無外加電壓 (b)外加電壓
圖一、元件工作原理 (a)無外加電壓 (b)外加電壓

至於如何調控周圍的折射率呢?Debashis Chanda教授的答案是液晶,他們將液晶堆疊在金屬奈米結構上,藉由外加電壓改變液晶方向,就可以改變凹槽內的折射率。會有這種效果是由於液晶具有雙折射性,其折射率會根據排列方式不同而異,而排列方向又會因為外加電壓而改變。如圖一,當無外加電壓(a)時,液晶是橫向排列,折射率大約為1.55;外加電壓(b)時,液晶會開始豎起來,依照外加電壓的不同,折射率最大可以到1.97(更精準地說,是因為光從上面入射進到液晶層,液晶的排列方式會讓光感受到的折射率不同,所以並不是液晶豎起折射率就是一定是1.97,還要看入射光從何種角度入射)。單一個畫素可呈現顏色的調變波長範圍大約為90nm,這個範圍可以從橘色調到橄欖綠,或是從橄欖綠調到藍色。

可見光波長從380nm到750nm左右,因此如果要讓整段可見光適用,90nm是不夠的。幸運的是,除了液晶可以調控外,在製程上也可以調整金屬奈米結構的周期及間距,讓起始的波長不同。例如:讓A畫素可以由380nm調到470nm、B畫素可以由470nm調到560nm,C畫素可以由560nm調到650nm,D畫素可以由650nm調到740nm,再把這四個畫素放一起,只要畫素夠小讓人眼就無法解析,就可以涵蓋全部的可見光範圍。

Debashis Chanda教授研發的結構畫素大小大約為2.1微米(μm),厚度只有數百奈米,若是將來真的做成可撓曲式,衣服上自己的圖案自己變將不再是夢想。每個人買一件這種衣服,然後從雲端下載圖案,就可以隨心所欲換圖案;軍人也可以隨時隨地換偽裝,增加隱蔽性。Debashis Chanda教授表示:「你可以任意變換偽裝、衣服或流行款式,如果可以自由改變衣服上的圖案,我衣櫃裡幹嘛還需要50件衣服呢?」雖然這個想法很酷,但也實在有點宅,如果真的量產銷售,我想最大客戶應該是《The Big Bang Theory》裡的那四個宅男吧!--

--原始論文及圖片出處:
Franklin, Daniel, Yuan Chen, Abraham Vazquez-Guardado, Sushrut Modak, Javaneh Boroumand, Daming Xu, Shin-Tson Wu, and Debashis Chanda. "Polarization-independent actively tunable colour generation on imprinted plasmonic surfaces." Nature communications 6 (2015).

參考資料:
University of Central Florida. "Chameleon-like clothing: World's first full-color, flexible, skin-like display." ScienceDaily. (accessed July 14, 2015)

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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