國防科大Adv. Mater. : 一種受葉片啟發的高光譜偽裝顏料

一、 【導讀】?

葉片的綠色來源于體內活體色素對光的吸收和內部生物膜界面對光的反射這兩者的綜合效應。由于傳統人工色料（顏料和染料）的顯色機制與葉片發色機制明顯不同，人們對于葉綠色的還原大多仍停留在色度值的維度，即在固定光線條件下呈現出與葉綠色相似的視覺觀感。然而，從光譜維度對葉綠色進行還原仍然面臨嚴峻的挑戰。現有的人工偽裝色料與自然葉片在光譜維度上存在顯著差異，極易被高光譜成像技術捕捉并識別，從而導致偽裝的失效。

葉綠體是葉片生色的主要器官，具有典型的微膠囊結構，其內部的葉綠素在與蛋白質和脂質的相互作用下形成了具有超高光譜選擇性和超窄縫寬的體內吸收特征，能夠將葉片的反射率降低至5%以下。此外，反射率在吸收截止后被微膠囊結構的界面反射所主導，又陡升至40-60%，從而形成葉片獨有的“紅邊”特征。在高光譜成像技術研究領域，葉片的“紅邊”特征可用于遠程檢測并提取植被生理學信息，并被廣泛認為是偽裝目標識別的典型特征之一。“紅邊”特征的形成受控于微膠囊結構提供的穩定化學環境、界面性質等多種因素，因此難以用傳統的人工色料進行復現。

二、【成果掠影】

近日，國防科技大學程海峰&祖梅團隊從仿生角度出發，著力于源頭設計，巧妙利用微膠囊技術模擬葉片的發色機制，對“紅邊”位置的調節進行針對性設計，突破了傳統顏料“紅邊”位置與葉片存在偏差，且難以調控的技術難題，模擬了自然葉片由不同葉綠素含量導致的“紅邊”位置在697-719 nm的分布。該微膠囊顏料同時繼承了傳統顏料優異的加工性能，包括可涂層化和圖案化以及多基底兼容特性。此外，以該顏料為基礎設計的雙層涂層結構實現了涂層近紅外波段反射率在30-80%范圍內獨立于可見光波段的可控調節，涂層整體反射率不僅完全滿足美軍標對偽裝網的光譜限制，而且與葉片光譜相似度高達99.7%，色差和光譜距離分別低至4.02和41.7，明顯優于現有高光譜偽裝材料的光譜性能，在植被冠層中能夠有效欺騙高光譜成像技術和光譜角制圖算法。這項研究為高光譜偽裝及其他涉及精細光譜調控的應用研究領域提供了一種新思路。

該研究成果以“A Hyperspectral Camouflage Colorant Inspired by Natural Leaves”為題發表在Advanced materials上。

?三、【核心創新點】

1、該工作著眼于偽裝顏料的源頭設計，利用微膠囊技術模擬葉片的發色機制，將酞菁鋅的單體態吸收和膠囊壁的界面反射效應有機結合，從而實現葉片“紅邊”特征的指紋級精準模擬和調控

2、基于雙層結構涂層的光譜疊加技術可形成與植物葉片高度相似的可見近紅外反射光譜，通過頂層和底層涂層厚度的獨立調控可精準模擬自然界中不同葉綠素含量及不同厚度葉片的光譜變化

?四、【數據概覽】

圖1? 仿生結構設計：a 葉片發色機制示意圖；b 仿葉片設計微膠囊結構示意圖；? c 葉片的反射率曲線；d 葉綠素和e 酞菁鋅的吸光度曲線

圖2? 涂層設計及光譜調控機制：a 雙層涂層設計示意圖；b 雙層涂層的光譜疊加；c涂層的界面形貌；d 不同厚度底層的反射率曲線；e 涂層符合美軍標光譜范圍；f 不同頂層厚度涂層的反射率曲線；g 頂層厚度與色度值的關系?

圖3? 光譜模擬性能： a 三種人工葉片與自然葉片的光譜對比（左）和光譜角制圖（右）；b 人工葉片與現有葉片光譜模擬研究的光譜相似系數及色差對比； c 人工葉片與三種代表性光譜模擬材料的五類光譜性能對比

圖4? 高光譜偽裝性能：人工葉片在植被背景中的a 高光譜成像和b 光譜角制圖；人工葉片與不同品種葉片的c 高光譜成像和d 光譜角制圖; 人工葉片與偽裝織物的e 高光譜成像和f 光譜角制圖

五、【成果啟示】

人工偽裝起源于自然界的偽裝行為，并隨著軍事、狩獵和審美需求的發展而不斷完善。近年來，用于目標探測的高光譜成像技術正在將偽裝技術推向更高維度和更高精度。為了提高軍事目標在特定背景下的偽裝性能，不僅要求目標與背景“同色”，還需使目標與背景精細光譜特征實現高度匹配，才能應對日益發展的高光譜探測技術。除了軍事應用外，精確光譜調控技術在輻射制冷、光學濾鏡、光動力治療和色彩還原等領域也受到廣泛關注。

受葉片發色機制的啟示，我們開發并驗證了一種新穎的微膠囊顏料，該顏料具有非常優異的偽裝應用潛力。這種顏料繼承了自然葉片的吸收和反射機制，其與葉片的反射率相似程度超越了現有高光譜偽裝材料的水平。得益于該偽裝顏料獨特的微膠囊結構，基于該顏料制備的圖案化偽裝涂層可以在模擬熱帶雨林背景的高溫高濕條件下保持良好的光譜穩定性。此外，該涂層的雙層結構使得“紅邊”和近紅外反射特征可獨立可調，能夠模擬具有不同葉綠素含量和不同厚度的自然葉片在現實樹冠環境中的光譜變化，且從可見光到近紅外甚至紅外波段都展現出較強的偽裝性能。上述光譜性能賦予了涂層優異的高光譜偽裝能力，可有效對抗基于光譜角制圖的目標檢測。基于該項研究的著色策略還可推廣應用于豐富顏料的光譜庫，并為高光譜偽裝領域和其他光譜調控領域提供有益借鑒。

原文詳情：Xie, D., Zu, M., Li, M., Liu, D., Wang, Z., Li, Q., Cheng, H., A Hyperspectral Camouflage Colorant Inspired by Natural Leaves. Adv. Mater. 2023, 2302973. https://doi.org/10.1002/adma.202302973

本文由XZLLWLC供稿