近日，美國加利福尼亞大學爾灣分校(UCI)化學與生物分子工程系副教授阿隆·戈羅德茨基帶領的團隊在《自然·可持續性》上發表了一篇論文，稱他們找到了制備大面積“魷魚皮膚”的方法。當這種皮膚用作包裝材料后，人們能根據需求即時調節它的溫度。
以魷魚為原型設計復合材料
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家漢隆·羅杰關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境混為一體，如果分不清顏色，它們又是如何根據環境“換膚”以實現藏身的呢?后來，羅杰和同事發現：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，但也發現皮膚或許發揮著某些作用。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構。
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，皮膚上對應的是色素體(但只是粗略類比)。每個色素體細胞包含一囊有色的化學物質(主要有紅、黃、棕3種)，色素囊周圍還連接著幾十個肌肉細胞。這些肌肉細胞的收縮或放松，能在不到1秒的時間內使色素囊的面積增加或減小。因此肌肉細胞的運動，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。隨后，在將鋁箔剝離開后，便得到了以魷魚為原型設計的復合材料——“魷魚皮膚”。
想象一下以下2個畫面：當魷魚的肌肉細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;而當肌肉細胞舒張或放松時，色素囊則變為平常的大小，彼此分隔較大的距離，使更多的真皮暴露出來。作為類比，研究人員想到，可以對復合材料施加機械應力，使原本幾乎連續排布的銅層發生斷裂，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構時的行為。
在沒有應力時，連續鋪滿的銅層能使紅外線幾乎全部反射出去，而幾乎不發生透射。在施加30%的應力后，只有約78%的紅外線發生反射，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，以及有無應力下前臂皮膚的溫度。他們發現，如果不施加應力，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。相關研究結果發表于《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。
他們發現，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”則能使內部的物體與外界環境之間做動態的熱交換：在不施加外力時，手并不會向“魷魚皮膚”內部傳遞熱量;而當用手向“魷魚皮膚”施加一定的外力后，內部溫度就會升高，從而達到動態、即時保溫的效果。(王怡博)
關鍵詞： 魷魚皮膚 加利福尼亞大學 爾灣分校 化學與生物分子工程系
