近日，美國加利福尼亞大學(xué)爾灣分校(UCI)化學(xué)與生物分子工程系副教授阿隆·戈羅德茨基帶領(lǐng)的團隊在《自然·可持續(xù)性》上發(fā)表了一篇論文，稱他們找到了制備大面積“魷魚皮膚”的方法。當(dāng)這種皮膚用作包裝材料后，人們能根據(jù)需求即時調(diào)節(jié)它的溫度。
以魷魚為原型設(shè)計復(fù)合材料
戈羅德茨基在UCI的采訪中說，他偶然在一次會議上聽了生物學(xué)家漢隆·羅杰關(guān)于頭足綱動物的報告后，便開始對這類神奇的動物感興趣。頭足綱動物包括墨魚、魷魚和章魚。羅杰花了30多年的時間試圖了解這些“頭部長在足上的動物”，其中，它們快速自適應(yīng)變色的能力最令他著迷。
但頭足綱動物其實是“色盲”，它們的眼中只有一種光感受器，色覺則至少需要兩種光感受器才能形成。這令人不解，因為頭足綱動物明明能讓自己和環(huán)境混為一體，如果分不清顏色，它們又是如何根據(jù)環(huán)境“換膚”以實現(xiàn)藏身的呢?后來，羅杰和同事發(fā)現(xiàn)：頭足綱動物的皮膚布滿了具有感光能力的視蛋白，且與眼睛里的屬于同一種視蛋白。也有猜想認(rèn)為，頭足綱動物瞳孔形狀特殊，可以放大色差，從而分辨不同波長的光。盡管他們知道這并不能解決上述的顏色感知問題，但也發(fā)現(xiàn)皮膚或許發(fā)揮著某些作用。也就是說，頭足綱動物的皮膚也許能“看”到光。此外，科學(xué)家也基本破解了皮膚在制造不同顏色中所起到的作用，尤其是皮膚的組成和結(jié)構(gòu)。
頭足綱動物的皮膚就像一面奇幻的顯示屏，決定屏幕顏色的是像素，皮膚上對應(yīng)的是色素體(但只是粗略類比)。每個色素體細(xì)胞包含一囊有色的化學(xué)物質(zhì)(主要有紅、黃、棕3種)，色素囊周圍還連接著幾十個肌肉細(xì)胞。這些肌肉細(xì)胞的收縮或放松，能在不到1秒的時間內(nèi)使色素囊的面積增加或減小。因此肌肉細(xì)胞的運動，能改變色素的暴露面積，以及是否被暴露出來，從而影響入射光線的反射特征，以及皮膚的顏色。
戈羅德茨基想要借用這種機制來調(diào)控入射光線。相比于頭足綱動物，他們只需要聚焦于傳遞熱量的紅外線，而不是整個光譜。因此，研究人員的第一步就是把紅外反射材料——銅沉積在柔性的鋁箔上，然后使這個較薄的銅層上生長一個個“銅柱”。在這里，研究人員想讓一個個“銅柱”扮演魷魚色素囊的角色。他們還選擇了一種叫做苯乙烯—乙烯—丁烯—苯乙烯(SEBS)的共聚物，作為色素囊的支撐體，其中SEBS對紅外線透明。他們將SEBS噴涂在銅層上，并使“銅柱”嵌在SEBS涂層內(nèi)。隨后，在將鋁箔剝離開后，便得到了以魷魚為原型設(shè)計的復(fù)合材料——“魷魚皮膚”。
想象一下以下2個畫面：當(dāng)魷魚的肌肉細(xì)胞向外拉扯色素囊時，色素囊面積變大，從而覆蓋更多的上層真皮;而當(dāng)肌肉細(xì)胞舒張或放松時，色素囊則變?yōu)槠匠５拇笮。舜朔指糨^大的距離，使更多的真皮暴露出來。作為類比，研究人員想到，可以對復(fù)合材料施加機械應(yīng)力，使原本幾乎連續(xù)排布的銅層發(fā)生斷裂，銅層上生長的“銅柱”也隨之分離，同時讓下方的SEBS暴露出來。這必然會影響入射光線在穿過這些結(jié)構(gòu)時的行為。
在沒有應(yīng)力時，連續(xù)鋪滿的銅層能使紅外線幾乎全部反射出去，而幾乎不發(fā)生透射。在施加30%的應(yīng)力后，只有約78%的紅外線發(fā)生反射，透射的占比則增加至約11%，其余的紅外線被材料吸收。而且，隨著應(yīng)力的增加(小于100%)，反射和透射的比例會隨之分別減小和增加。
2019年，戈羅德茨基帶領(lǐng)的團隊曾基于這種材料制成了一種袖子，并比較了有無袖子，以及有無應(yīng)力下前臂皮膚的溫度。他們發(fā)現(xiàn)，如果不施加應(yīng)力，相比于裸露的前臂，袖子下的皮膚溫度會高1℃左右。即平整的材料有利于“捕獲”熱量，起到極好的保溫作用。但如果想要涼快一點的話，不用立刻脫下袖子，只需對袖子施加50%的應(yīng)力即可。這時候，多穿的一層袖子只會讓前臂的溫度增加0.1℃左右。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《自然·通訊》。
說到隔熱或保溫，美國國家航空航天局(NASA)開發(fā)的太空毯可能是最為人所知的。1964年，NASA馬歇爾太空飛行中心首次制備出這種由熱反射金屬和塑料薄層構(gòu)成的毯子，其中金屬涂覆在塑料上，形成金屬化聚對苯二甲酸乙二醇酯(MPET)，能反射97%的熱輻射。
保溫效果堪比太空毯
在最新發(fā)表的這項研究中，戈羅德茨基和同事比較了他們制備的“魷魚皮膚”和太空毯的保溫效果，尤其是作為包裝材料使用時。
為了滿足對包裝材料的需求，研究人員也制備出了毯狀的“魷魚皮膚”。他們先做出9份面積較小(面積較小而易合成)的復(fù)合材料，然后把它們分別剪成小矩形，讓SEBS充滿9個小矩形之間的空隙(這是特意留出來的)，從而將它們連接在一起。于是，便制成了毯狀的“魷魚皮膚”，面積能達到約3480平方厘米。
他們發(fā)現(xiàn)，這種大面積“魷魚皮膚”和太空毯的保溫效果不相上下，但太空毯的效果是靜態(tài)的，不隨條件變化而變化。而這項研究中的“魷魚皮膚”則能使內(nèi)部的物體與外界環(huán)境之間做動態(tài)的熱交換：在不施加外力時，手并不會向“魷魚皮膚”內(nèi)部傳遞熱量;而當(dāng)用手向“魷魚皮膚”施加一定的外力后，內(nèi)部溫度就會升高，從而達到動態(tài)、即時保溫的效果。(王怡博)
關(guān)鍵詞： 魷魚皮膚 加利福尼亞大學(xué) 爾灣分校 化學(xué)與生物分子工程系
