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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於電化學精確控制的，硅基電化學-力學-光學耦合仿生變色器件。 該項研究基於全新的電化學-力學耦合變色調控機理，實現了可見光寬頻段精確調控，並具有獨特的彩色/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僞裝工程，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複雜的製備工藝，特定多種材料的融合，其調控範圍僅針對可見光的特定頻段區間，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.仿生章魚皮膚變色設計

大自然中有多種能夠自適應變色僞裝的生物，以章魚爲例，當外界環境發生改變時，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（

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。採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（折射率和消光係數），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

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，可以任意定製所需要的顏色調控範圍。通過光刻技術，可以定製各種顯色圖案。並且，該變色系統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

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，設計製備了基於硅負極的仿生變色器件，爲今後的仿生結構變色材料的研究開闢了一個全新的方向。該課題組研究人員認爲，進一步優化變色薄膜的結構，可以實現更高穩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，可以適用於具有脫嵌鋰體積收縮膨脹效應的其他材料。

作者簡介

北京理工大學方岱寧院士、陳浩森副教授、宋維力副教授爲本文的共同通訊作者。北京大學博士生鮑垠樺、北京理工大學碩士生韓雨爲本文的共同第一作者。參與該工作的還有北京理工大學陳人傑教授，美國華盛頓大學的Alex K.Y. Jen教授，美國馬里蘭大學李騰教授，香港城市大學羅敬東教授。此外，特別感謝北京理工大鐘海政教授的討論和幫助。方岱寧院士能源電池小組成立於2015年，由陳浩森和宋維力老師共同負責。

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