在自然界，变色龙绚丽多变的体色格外引人注目。而现在，这种“一键换装”的快速变色技能在材料科学家们的实验室里也能实现了：
这只坐在小车上的“变色龙”长相有点呆萌，身上还覆盖着马赛克瓷砖似的方形“鳞片”。别看它长得有点怪，但变色能力可不含糊：“人造变色龙”在红、绿、蓝三色的背景前穿过，每经过一种颜色的背景，它身上的“鳞片”也就立即变成了对应的颜色。
这只人造变色龙是如何诞生的？其实，这是中山大学楚盛教授和武汉大学王国平教授研究团队带来的成果，相关论文今年1月发表在了《美国化学会·纳米》（ACS Nano）期刊上[1]。
变色鳞甲的秘密
做一只变色龙模型并不难，只要用3D打印机来那么一下就可以了，而难点在于那身变色的“鳞甲片”。要想获得变色鳞甲，就得寻找可控的变色材料。
显然，“变色龙”身上花花绿绿的颜色不是普通颜料。确切地说，这可是“真金白银”——金银材质的“等离激元金属纳米颗粒”。简单理解的话，可以粗略地将它们看成金和银组成的微小颗粒。
等等，金银怎么是这样的颜色？的确，我们平常所见的成块金属，大多光洁如镜，明亮如银。而如果把金属颗粒的尺寸越缩越小，跨越了厘米、微米，达到纳米尺度，此时金属颗粒们就能摇身一变，展现出丰富的色彩来。这是由于在尺寸小于可见光的波长时，光照会激发金属微粒的电子发生振荡。这种振荡会在可见光区域发生吸收和散射，从而产生颜色。此外，这种振荡的频率还和纳米金属颗粒的大小、形状以及组成都有关联，这就为调节色彩提供了方便[2]。
听起来有些抽象？其实金属纳米显色，特别是金、银纳米颗粒的显色，早在千年以前就有所体现。在著名的古罗马酒杯“Lycurgus Cup”中，正是因为玻璃中含有金银的纳米颗粒，酒杯才会在不同的光照条件下，展现出特殊的绿色或者红色色彩（散射光为绿色，透射光则看起来是红色，更多阅读：细说神奇的表面等离子体波）。
不同光照条件下的古罗马酒杯
黄金甲，银叶铠
在这里，研究团队也选用了常见的金纳米颗粒作为变色材料的基础。为了让纳米颗粒保持稳定，研究团队为颗粒们制作了精巧的小单间。利用蚀刻技术，将导电玻璃表面覆盖的二氧化硅刻出一排排整齐的小坑。
刻蚀示意图，侧视图（本文作者制图）
接下来，利用“蒸镀”技术，让金纳米颗粒在这些小坑里“生长”起来：
在小坑中“种”起纳米颗粒。图片来自原论文
然后，给小单间盖上屋顶——含有银离子的凝胶电极片，最后再将整个鳞甲进行封装。这时候，小变色龙的“鳞甲片”就已经被金纳米颗粒染成了漂亮的红色。
种满金纳米颗粒的“鳞甲片”。图片来自原论文
装填纳米颗粒的“黄金甲”有了，但这时它还只能显示红色这一种颜色，怎样才能变色呢？镀银。这时候，前面提到的含有银离子的电极就发挥作用了。在“凝胶电极-金纳米-导电玻璃”构成的回路中，可以通过电化学还原反应将银离子还原成金属银，沉积到金纳米颗粒的表面。
镀上银又有啥用？上文说到，等离激元金属纳米颗粒的组成和形状都会影响呈现的颜色。在对金的核心进行镀银后，随着银壳厚度的增加，纳米颗粒的颜色会由红色经绿色最后转变为蓝色。而只要控制电化学反应的通电时间，银壳的厚度就可以得到控制。
如果把上述反应方向倒转，用电化学氧化反应还可以再将“金核银壳”表面的银壳氧化为银离子而“剥掉”。随着银壳被逐渐剥离，最后会只剩下金核，纳米颗粒的红色也就随之恢复了。实验显示，这样的电化学变色循环在反复200次之后依然可以保持灵敏的变化和各个阶段鲜艳的颜色，有了它，小变色龙就能轻松变色啦。
电化学镀银示意图，不同的银壳厚度会得到不同颜色。图片来自原论文
随着电化学沉积的时间逐渐增加，纳米颗粒的颜色从红色（~ 650 nm）慢慢移向蓝色（~ 420 nm）。图片来自原论文
变色龙，就决定是你了！
至此，变色“鳞片”元件已经完工，通过简单几秒钟的电流控制，就可以实现红色到蓝色之间反复多样的变化了。把这些鳞片贴在3D打印的变色龙模型上，在变色龙的眼睛处装上色彩感应元件，控制各个鳞片中电氧化/电还原反应的时间，这样就可以实时控制纳米颗粒上银壳的厚度，让机器变色龙完美融入背景了。
除了呆萌的机器变色龙以外，研究团队还用这些变色小元件制作了电控显示屏，用它们实时调控显示“SYS”等字样，以及显示风景图“武汉大学一角”的静态画面。这也体现了变色鳞甲片在更多方面的潜在应用。
由于色彩感应元件的限制，“人造变色龙”目前还只是在红绿蓝三种颜色中变来变去。不过，这些“金银甲”的变色能力其实完全可以覆盖整个可见光区域。也许不需要多久，我们就可以看到这种“人造迷彩”在更丰富的领域中应用了。（编辑：窗敲雨，审稿：楚盛，王国平）
文章题图及动图素材来自原论文。
需要说明的是，真正的变色龙并不会完全随着背景变色。它们改变体色其实主要是作为一种信息交流的方式。真变色龙们是怎么变色的？详情请看：变色龙是怎么变色的？
参考资料：
- Wang, G.; Chen, X.; Liu, S.; Wong, C.; Chu, S. Mechanical Chameleon through Dynamic Real-Time Plasmonic Tuning. ACS Nano 2016, DOI: 10.1021/acsnano.5b07472.
- Anker, J. N.; Hall, W. P.; Lyandres, O.; Shah, N. C.; Zhao, J.; Van Duyne, R. P. Biosensing with Plasmonic Nanosensors. Nat. Mater. 2008, 7, 442 − 453.