轻轻一压，拓宽结构色视角：UMass与剑桥团队源自花瓣的启发( 二 )

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图3. 薄膜表面形貌受压缩变形调控，以及相应的激光干涉信号
研究结果显示，该薄膜系统被压缩后，其表面显示出强烈的结构色，且定量的激光干涉实验量化了材料参数和力学变形对结构色光谱的影响（图3）。随着对薄膜的压缩，其表面首先形成单级的较小褶皱，产生窄角的激光干涉（图3b中33度角与60度角附近）。在更大变形下，薄膜发生二次起皱，形成可拓宽干涉角度的较大褶皱，干涉信号开始变宽。因此，干涉信号的宽度可精确地由薄膜表面褶皱结构的受力发展调控。
将软膜硬基地的起皱理论应用于多层复合材料中，可以定量预测起皱的临界条件和褶皱波长。该工作中对薄膜材料的力学特性和厚度的精确控制实现了对光学干涉和可视角度增宽的定量控制。其中，干涉信号的的中心角由经典的Bragg定律控制。同时，该研究的理论与实验结果显示，干涉信号的扩展角度由受压缩变形调控的大褶皱的高宽比控制（图3b）。
此外，实验和定量建模还发现，实现该广角结构色的多级褶皱仅能在有限条件下形成。当改变薄膜材料的软硬度或者厚度，有可能出现仅具有一个大波长的单级褶皱（图4）。这种形貌对材料性能的敏感性也体现在花瓣系统中：木槿花仅有近端部分会产生微结构显示结构色，而远端部分则不能。研究中的理论与数值模型提供了控制褶皱形态的定量关系，从而预测不同形貌之间的边界。该发现可指导用褶皱力学设计具有广角结构色的光学器械，并可用于定量理解具有该广角结构色的生物系统。

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图4. 多级褶皱和单级褶皱以及其控制条件
本文的第一作者陈超为马萨诸塞大学安姆斯特(UMass Amherst)的博士后。他毕业于哈佛大学，以软材料力学为基础，从事高性能软材料的设计、基础柔性力学发展和软材料的力学仿生应用等研究。本文的通讯作者为马萨诸塞大学安姆斯特(UMass Amherst) 的Crosby教授。其研究组以高分子材料和力学为基础，致力于研究受自然启发的材料和工程设计。共同作者还有同校的R. Kanane Bay ，现为普林斯顿大学博士后，以及剑桥大学植物系的Glover研究组 (Beverley J. Glover教授， Chiara A. Airoldi研究员， Carlos A. Lugo研究员)，主要研究领域是吸引授粉动物的花卉特征的演变和发展。
文章链接：
【轻轻一压，拓宽结构色视角：UMass与剑桥团队源自花瓣的启发】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006256