塑料可以用來編程？沒有顏色也能看到圖案

一張寫入二維「密」碼的透明薄膜。

撰文 | 周煒

圖片及視頻 | 課題組

編輯 | 周煒

來源：求是風采，浙江大學學術委員會

羅丹說，生活中不是缺少美，而是缺少發現美的眼睛。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。對於這些隨機而自由的顏色，浙江大學的科學家提出一種精確「編碼」的方法。他們發明的可編程塑料，可以通過數字化調控其內部應力，任意植入精緻的「隱形」圖案。

相關論文於今年10月1日在《自然通訊》雜誌在線發表。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，看起來和手機貼膜並無二致。但隔著偏振鏡片看，竟能看到一個清晰的二維碼。換一張看，是一隻彩色的蝴蝶，再來一張，蒙娜麗莎的微笑……

「我們並沒有在材料里加入顏料，也沒有改變材料表面的的微觀結構（註：區別於結構色），有圖案是因為——應力。」張國高說，應力在塑料製品中普遍存在，這是工藝原因不可避免帶入的，日後會以翹曲、變形、甚至開裂的形式釋放出來，這是塑料製品不耐用的原因之一。

最早發現抽象的應力可以被看見，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，會出現彩色的紋路。

因為應力的存在，透明材料內部各個方向上的折射率會不同，光線穿過材料時，會發生雙折射而「拆分」為不同偏振方向的光線。這樣，藉助於偏振鏡片，我們就看到了塑料製品斑斕的樣子。基於這一原理，科學家發明了光測彈性儀，通過「讀取」塑料、玻璃等材料的顏色，來分析結構內部的應力分布，是一種被廣泛應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力，而不是被動地去觀測，」謝濤說，課題組找到了一種數字化控制應力的方法，賦予材料更多意想不到的功能。

圖：通過數字化控制應力方法「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共價鍵聚合物網路中實現應力「編碼」的。你可以將之理解為一張高分子膜，內部是由很多長長的分子鏈組成的「毛線團」。科學家對其內部進行應力的存儲和釋放操作，從而做出精緻的圖案。

不用的應力呈現不同的色彩

第一步是存儲應力。在60攝氏度附近，研究人員將這張膜均勻拉伸。「『毛線團』被拉伸後，分子間的相對位置發生了變化，分子鏈具有變回起始位置的趨勢，應力由此而生，並存儲下來。』」張國高說。均勻存儲了應力的塑料膜，在偏振鏡下觀看是一張素色的「底片」。

第二步，釋放應力。依靠激光印表機，在聚合物膜上列印出不同灰度的圖案，並在紅外光下照射，就能在素色底片上定點「消除」應力。在紅外光下，印表機的油墨是能夠產熱的，因此印表機通過灰度的變化，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，毛線團斷開並重新接起來。「這樣，應力就釋放了。」

更令人驚喜的是，溫度的差異，讓每個像素點應力的釋放程度有所不同。於是應力並不是「有」和「無」的區別，而是呈現精細的梯度變化。這樣一來，圖案就從灰度「轉碼」為應力分布，進而在材料中形成預設的「隱形」圖案。

在論文中，課題組將這種原理產生的顏色稱之為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，去產生更多的功能。」謝濤說，第一個可見的應用，就是實現信息的隱形存儲。「只有藉助於偏振鏡片，我們才能看見材料存儲的圖案。」

「這種顏色不是來源於色素，也不同於蝴蝶翅膀上的結構色。」浙大光電學院一位學者對這項研究產生了濃厚的興趣，他認為，讓物體表現不同的顏色是一個非常有趣的領域，這項研究通過一種非常新穎的路徑實現了它。「在柔性電子製造，我們或許可以通過這種方法來製備一些傳統方法不易加工出來的器件。」

「研究的核心，是找到了一種數字化控制材料內部應力分布的方法。」張國高認為，應力與材料的光學性能、電學性能與結構等都存在關聯。通過「編碼」應力」，可編程塑料將展現更多的功能。

「例如，現在所有的3D列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，然後輕輕一夾，名片變成了拱形。「讓材料從二維變成三維，有時候就這麼簡單。」或許有一天，人類可以發明一類可以在太空中工作的3D印表機，它一邊「吃」著塑料餅乾，一邊「吐」出一堆造型複雜的零件。對此，課題組已經進行了初步嘗試。

《環球科學》11月刊現已上市

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！