在1989年的电影《回到未来2》中，预测未来会开发出一双可以发光和自行系鞋带的魔法鞋。经过20年左右的发展，耐克发布了Nike Air MAG鞋，把过去的梦幻变成现实。融合高科技和增值特性来设计智能鞋、包和服装已经成为一种流行趋势。能够以可预测和可控的方式对刺激做出反应的系统已经引起了极大的兴趣。为多尺寸响应设备，特别是可穿戴设备开发一种轻质、灵活、可折叠和可持续的基板，仍然是非常理想和具有挑战性的。这种基底需要满足多刺激响应装置的性能要求，并理想地表现出良好的透气性和透湿性以及穿着舒适性。皮革由于其高透气性和耐用性、良好的强度和弹性以及优异的柔软性和缓冲舒适性，已被设计并用于包、服装、鞋、家具等。皮革是一种不易腐烂的材料，通过几十个物理和化学处理步骤将动物皮肤转化而成。很难在皮革上设计图案，因为大多数皮革制造工艺都是通过将整块皮革浸入含水系统中来操作的。在大多数情况下，图案是在最终皮革制品的表面设计的。与纺织品相比，皮革的自然结构限制了其表面图案。然而，皮革的微米和纳米多孔结构可适应各种区域功能设计，这使得在皮革上产生图案成为可能。
鉴于此，陕西科技大学马建中和美国康涅狄格大学Luyi Sun教授团队报道了基于皮革的多重刺激响应变色器件，通过简单的物理化学过程设计了两种基于皮革的变色器件，即紫外/热/电变色装置和紫外传感器。所制备的皮革基器件在颜色均匀性和饱和度方面表现出优异的光致变色、热致变色和电致变色性能。同时，这也允许在皮革上创建任何想要的图案。该研究以题为“Leather-Based Multi-Stimuli Responsive Chromisms”于近期发表在了《Advanced Functional Materials》上，有望在可穿戴电子领域以及皮革产品的个性化定制和防伪领域找到广泛的应用前景。
设计策略和器件制造
基于皮革的多重刺激响应变色器件是通过非常简便的工艺制造的。天然皮革胶原纤维保持了动物皮肤的微观和纳米结构，由于其薄、软、独特的微纳多孔结构，为基于皮革的装置的制造提供了理想的平台，经过离子液体BMIMCl处理可将其转化为导电材料用于制造基于皮革的多刺激响应变色装置，将3D印刷模具紧紧地保持在皮革表面上，然后将颜料分散体或染料溶液转移到模具中。借助多功能3D打印技术，人们可以为设计的图案打印几乎任何模具，并且各种染料和颜料也提供了设计定制图案和相应设备的高度灵活性。
皮革基多刺激响应变色器件的设计策略及制备
皮革基紫外/热/电致变色器件的性能
所选光致变色颜料在可见光下是无色的，但是当暴露于365纳米的紫外光下时变成红色。红玫瑰光致变色颜料被施加在花图案的中心，因此当基于皮革的装置暴露于紫外光时，花中心显示出红玫瑰颜色。所选的热致变色颜料在低于31℃(转变温度)的温度下显示绿色，但当加热到31℃以上时转变为白色。两种类型的绿色热致变色颜料用于花卉图案的内花瓣，以在花瓣中获得逐渐的颜色变化，当温度低于31℃时显示绿色，而在高于31℃的温度下几乎不显示颜色。化学掺杂有聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)的聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)是一种通常用作电子器件中的导电和透明涂层的材料体系，PEDOT:PSS由于电子的增益和损耗，显示出响应于充电/放电条件的可逆的浅蓝色到深蓝色的颜色变化，因此它在氧化和还原状态下显示出不同的颜色，当系统处于氧化状态时，经PEDOT:PSS处理的花图案的外部花瓣显示出浅灰色，当PEDOT:PSS变为还原状态时，花瓣变成深蓝色，虽然PEDOT:PSS仅显示暗/浅蓝色，但当将其与另一种颜料或染料混合时，可以产生各种附加颜色，例如，当粉色染料与PEDOT:PSS的比例为1:5时，实现了浅紫色到蓝色的可逆颜色变化。
皮革基紫外/热/电致变色装置的性能
皮革紫外传感器的性能
CVL是一种无色染料，在酸性条件下可以打开内酯环从无色变成蓝色，pH值逐渐降低，pH值越低，蓝色越暗。PPDPS-TF是一种光产酸剂，最大吸收波长为267纳米，所以暴露在紫外光下会释放H+。因此，PPDPS-TF对紫外光子的吸收导致了酸碱度的降低，这随后导致了CVL的颜色变化，当照射时间或照射功率增加时，混合溶液的颜色从无色逐渐转变为深蓝色，将PPDPS-TF/CVL混合物与普通光致变色颜料混合可以进一步丰富其变色行为。例如当PPDPS-TF/CVL与橙色光致变色颜料混合时，它在紫外光下显示绿色，而当与红色光致变色颜料混合时，获得浅棕色。
皮革基紫外线传感器的性能
皮革基多刺激响应变色器件的涂层效应
皮革表面形成图案的耐久性非常重要。涂饰通常是制革过程中的最后一步，目的是美化皮革表面，提高皮革产品的质量和档次。聚酰胺是一种广泛使用的皮革涂饰剂，具有一系列优异的性能，包括对皮革的附着力强，透明度高，并形成柔软和有弹性的涂层。采用聚酰胺整理剂涂覆皮革基多刺激响应变色装置。用聚酰胺整理剂涂布后，BMIMCl处理的皮革的亲水性降低，耐久性显著提高。由于聚酰胺涂层的保护，聚酰胺涂层处理显著提高了皮革上颜色和图案的耐久性，与未涂覆的皮革相比，涂覆的皮革的耐弯曲性和耐洗性都显著提高。
皮革基多刺激响应变色器件的涂层效应
总结
基于独特的微纳米结构和皮革的高强度、耐久性和柔软性，该团队设计并制作了紫外/热/电致变色装置和紫外传感器。该设计充分利用了皮革的独特结构。经BMIMCl处理后，加脂疏水皮革变得亲水、导电，并与颜料和染料产生强亲和力。在真空过滤的辅助下，颜料和染料分别沉积在皮革表面并渗透到皮革纤维中。紫外/热/电致变色装置实现了具有不同变色风格的多刺激响应变色过程的组合。由于3D可打印模具，该策略还具有很高的设计灵活性。紫外传感器显示随着紫外强度的增加，颜色变化越来越深，颜色变化方式的多样性可以通过用其他颜料混合PPDPS-TF/CVL系统来实现。聚酰胺涂层提高了设备的抗弯曲性和耐水性，以及皮革表面的光滑度和光泽。基于相同的方法，可以开发许多具有不同响应行为、颜色和模式的设备。白色绵羊皮被选为本项目的基材，牛皮也在团队的初步探索中得到证明，考虑到所有皮革都有相似的结构和成分，这种基于皮革的设备设计策略有望在可穿戴电子设备以及皮革产品的个性化定制和防伪等领域有着广阔的前景。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104427
来源：高分子科学前沿公众号
