不知道你是否刷到過(guò)這么一個(gè)小玩意兒：一只鴨子造型的小掛件，出門(mén)被陽(yáng)光一曬，就逐漸變色，最后變成一只“烤鴨”。

淘寶上熱賣(mài)的變色烤鴨

而且陽(yáng)光越強(qiáng)變色越快，一般十幾秒就能熟透：

烤鴨變色過(guò)程（加速版）丨小紅書(shū)@Bright

連雷軍也逃不過(guò)它的魅力，看了就想買(mǎi)。

圖丨雷軍微博

四個(gè)月過(guò)去，也不知雷總買(mǎi)到了沒(méi)有┓( ′?` )┏

我在B站上特意找到了這只“烤鴨”的起源，這才發(fā)現(xiàn)“烤鴨”的年紀(jì)并不大，還不到一歲。

有一位叫做“有貓餅工作室”的UP主，總會(huì)用3D打印做一些稀奇古怪的小玩意。2024年10月份，這位UP主使用一種可以變色的3D打印線材，打印出了這只“烤鴨”。

圖丨有貓餅工作室

這種3D打印線材有點(diǎn)特殊。據(jù)UP主說(shuō)，這種線材是要把一種叫做“色粉”的東西和聚乳酸等基體相互融合攪拌而成。用來(lái)做“烤鴨”的這種色粉，被陽(yáng)光中的紫外線照到時(shí)，會(huì)從白色變成粉色。

能在光的作用下改變顏色的材料，被統(tǒng)稱(chēng)為光致變色材料，或者叫光敏變色顏料。這就是烤鴨的奧秘。

何為顏色？

為了理解光致變色，我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)何為顏色。

顏色，不過(guò)是分子與光線之間的你來(lái)我往。當(dāng)光照射到材料表面時(shí)，材料會(huì)選擇性吸收特定波長(zhǎng)的光，未被吸收的光則會(huì)被反射回去或者透射過(guò)去；這些 “剩余光” 進(jìn)入人眼后，就形成了我們所看到的物體顏色。

比如，葉綠素，吸收紅光和藍(lán)光，反射綠光，因此呈綠色；胡蘿卜素吸收藍(lán)光，反射紅光和黃光，因此呈現(xiàn)橙黃色。

紅色物體，反射紅光、吸收了其他顏色的光。白色物體則是不吸收光丨8thgradescience

一旦材料分子結(jié)構(gòu)或成分發(fā)生變化，它們所呈現(xiàn)的顏色也會(huì)隨之改變。光致變色的本質(zhì)，就是顏料中的分子能在紫外光的作用下發(fā)生變化，從A變成了B。

很多分子都有這種“變臉”本事，比如最常見(jiàn)的一類(lèi)就是“螺吡喃（Spiropyran）”。

螺吡喃的變臉能力源于獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)。它內(nèi)部的一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)關(guān)鍵的 “螺碳原子”。這個(gè)“螺碳原子”就像一個(gè)靈活的鉸鏈，當(dāng)受到紫外線照射時(shí)，這個(gè)碳原子與旁邊氧原子之間的鍵會(huì)斷裂開(kāi)，從而讓整個(gè)分子從緊湊的環(huán)形變成開(kāi)放的鏈狀。

隨著結(jié)構(gòu)的變化，這個(gè)分子吸收光的能力也發(fā)生改變，外在顏色也隨之改變。

螺吡喃分子結(jié)構(gòu)變化示意圖

更神奇的是，這種“變身”是可逆的。就像按開(kāi)關(guān)一樣，用紫外線照射，它會(huì)從閉環(huán)變成開(kāi)環(huán)；關(guān)閉紫外線照射，它的結(jié)構(gòu)又能慢慢變回去，顏色也會(huì)跟著變回去。

無(wú)色螺吡喃水溶液，在紫外線下會(huì)變?yōu)槌燃t色；而當(dāng)它暴露在可見(jiàn)光下時(shí)，顏色又會(huì)變淺

當(dāng)然，變色分子中還有很多其他的高手。除了螺吡喃這類(lèi)有機(jī)分子，無(wú)機(jī)化合物也能光致變色，后者基本是由于其內(nèi)原子間電子轉(zhuǎn)移等過(guò)程造成的。

要說(shuō)最典型的無(wú)機(jī)物變色例子，戴眼鏡的朋友們不陌生。有一種變色眼鏡，在室外紫外線照射下，鏡片會(huì)變墨鏡；回到室內(nèi)，它又能恢復(fù)透明。這種變色本事，正是來(lái)自于其內(nèi)部摻雜的鹵化銀之類(lèi)的無(wú)機(jī)物顆粒。

變色眼鏡示意圖丨AI生成

當(dāng)陽(yáng)光中的紫外線照射到鏡片時(shí)，鹵化銀里的鹵素離子會(huì)“釋放”出電子，這些電子很快被附近的銀離子“抓住”。這一過(guò)程會(huì)讓原本無(wú)色的鹵化銀分解，變成了不透明的銀原子和透明的鹵素原子。

這些銀原子會(huì)吸收周?chē)墓饩€，就像給鏡片拉上了一層“遮光簾”，鏡片的透光率降低，看起來(lái)就變成了墨鏡，幫我們擋住陽(yáng)光。

當(dāng)我們走進(jìn)室內(nèi)，有激活作用的陽(yáng)光消失了，銀原子和鹵素原子會(huì)重新“手拉手”，變回鹵化銀。于是，鏡片就像解除了“墨鏡模式”，恢復(fù)到最初透明無(wú)色狀態(tài)了。

誰(shuí)是變色材料中的勞模？

無(wú)論是有機(jī)物還是無(wú)機(jī)物，凡凡種種的光致變色材料各有千秋。評(píng)價(jià)光致變色材料優(yōu)劣的指標(biāo)有很多，不同的材料也有著各自的性能特點(diǎn)。

比如，螺吡喃類(lèi)材料雖然變色快，但連續(xù)變幾百次后，可能分子就會(huì)壞掉，喪失變色能力；而二芳基乙烯能堅(jiān)持百萬(wàn)次“變色-褪色”循環(huán)，堪稱(chēng)“變色勞模”。

再有，變色的響應(yīng)速度也很影響實(shí)用性。想象一下，如果你戴著變色眼鏡開(kāi)車(chē)進(jìn)隧道，要是鏡片半分鐘才變透明，那可就壞了事了。除了剛才說(shuō)的無(wú)機(jī)物變色，還有一類(lèi)叫做“偶氮苯”的有機(jī)分子，響應(yīng)速度也很快，幾微秒就能變色，特別適合這種對(duì)速度有要求的場(chǎng)景。

所以，各種光致變色材料八仙過(guò)海，在各種應(yīng)用中各顯神通。

遇光則變，用處不止烤鴨

讓這些分子來(lái)做變色烤鴨，有趣但太大材小用了。它們還能用于治病！

我們平時(shí)用藥，尤其是抗癌藥這種強(qiáng)力藥物時(shí)，希望它只在到達(dá)生病的細(xì)胞時(shí)釋放，不要提前釋放、傷害到正常細(xì)胞。這時(shí)，就需要一個(gè)藥物載體來(lái)控制。

以前的載體需要溫度、酸堿度這些條件來(lái)觸發(fā)，不夠靈活；而光調(diào)控更精準(zhǔn)、容易操作。光致變色分子這就派上用場(chǎng)了。

一種叫做偶氮苯（Azobenzenes）的分子登場(chǎng)了。它在可見(jiàn)光下是一種反式結(jié)構(gòu)，紫外光下會(huì)變成另一種順式結(jié)構(gòu)，就像是擰麻花一樣。

偶氮苯分子結(jié)構(gòu)變化示意圖

有研究者就盯上了這種一擰就開(kāi)的微觀結(jié)構(gòu)。他們先做出一種二氧化硅納米顆粒的“小盒子”，這些盒子中裝上藥物分子，然后再盒子上掛了上“偶氮苯”分子作為“開(kāi)關(guān)”。

這個(gè) “開(kāi)關(guān)” 的工作原理是：在可見(jiàn)光下，偶氮苯讓納米顆粒的小孔口堵住，藥物跑不出來(lái)；換成紫外光，偶氮苯變結(jié)構(gòu)，就會(huì)讓小孔打開(kāi)，藥物就能釋放出來(lái)。而且這個(gè)過(guò)程是可逆的 ，再換回可見(jiàn)光，又能重新堵住孔，實(shí)現(xiàn) “開(kāi)關(guān)反復(fù)用”。

這就相當(dāng)于做了一個(gè)高度可控的藥物膠囊，能通過(guò)光精準(zhǔn)控制藥物什么時(shí)候釋放、釋放多少。比如，對(duì)于癌癥治療來(lái)說(shuō)，就可以通過(guò)紫外線光照，精準(zhǔn)讓藥物在腫瘤部位釋放，減少對(duì)正常細(xì)胞的傷害，副作用更小。

……沒(méi)有光，也不是不行

“光”致變色只是變色途徑的一種。溫度、pH 值、機(jī)械壓力甚至接觸到某些金屬離子，都有可能讓分子發(fā)生變化。這些新的設(shè)計(jì)，能讓原本只能光致變色材料有了更多玩法。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整螺吡喃的分子結(jié)構(gòu), 比如在環(huán)上增加不同的“零件”，可以精確控制它的變色條件。把它設(shè)計(jì)成只對(duì)特定金屬離子敏感，比如遇到銅離子會(huì)變紅，遇到鋅離子會(huì)變藍(lán)。它能像偵探一樣，檢測(cè)環(huán)境中的特定物質(zhì)，特別是水環(huán)境中的各種重金屬元素。這樣我們不需要大型儀器輔助，直接裸眼就能判斷水體是否有重金屬離子的污染。

還有一種好玩的設(shè)計(jì)，就是把讓螺吡喃與一些特殊的塑料結(jié)合在一起，從而得到一種可以感受應(yīng)力的材料。受到不同的力，材料就會(huì)變成不同顏色。在工業(yè)生產(chǎn)中，零件的磨損和損傷往往難以通過(guò)肉眼直接判斷，而加入了這種力致變色材料就能有望解決這一難題。

含有螺吡喃的PDMS彈性體，變形后會(huì)顯示“STOP”字樣丨參考文獻(xiàn)[7]

Guokr

再說(shuō)回開(kāi)頭的“烤鴨”。

這只“烤鴨”的制作初衷，就是提醒人們注意紫外線輻射。紫外線看不見(jiàn)摸不著，對(duì)人體的傷害也有一定的滯后性；但它可是實(shí)實(shí)在在的1類(lèi)致癌物，不僅是皮膚黑色素瘤的誘發(fā)因素，也可能導(dǎo)致眼部的腫瘤和白內(nèi)障。

紫外線防護(hù)怎么辦？烤鴨做出正確示范：涂防曬、打傘、戴墨鏡、給汽車(chē)貼膜呀！

涂了防曬霜的烤鴨，就不再變色了丨小紅書(shū)@吾二造物

參考文獻(xiàn)

[1] Kozlenko, A. S. , Ozhogin, I. V. , Pugachev, A. D. , Lukyanova, M. B. , El-Sewify, I. M. , & Lukyanov, B. S. . (2023). A modern look at spiropyrans: from single molecules to smart materials. Topics in current chemistry (Cham), 381(1), 8.

[2] Li, D. , Zheng, X. , He, H. , Boutinaud, P. , Xiao, S. , & Xu, J. , et al. (2024). A 20‐year review of inorganic photochromic materials: design consideration, synthesis methods, classifications, optical properties, mechanism models, and emerging applications. Laser & Photonics Reviews, 18(11).

[3] 王一璽. (2024). 一類(lèi)螺吡喃衍生物在重金屬離子的裸眼檢測(cè)方面的應(yīng)用研究.

[4] Zou, J., Liao, J., He, Y., Zhang, T., Xiao, Y., Wang, H., Shen, M., Yu, T., & Huang, W. (2024). Recent Development of Photochromic Polymer Systems: Mechanism, Materials, and Applications. Research, 7.

[5] 郭潔芬, 趙喜玲, 曹喜云, 汪磊, & 劉鑫. (2021). 光致變色材料的制備,性能及變色機(jī)理. 化學(xué)工程師.

[6] Yuan, Q. , Zhang, Y. , Chen, T. , Lu, D. , Zhao, Z. , & Zhang, X. , et al. (2012). Photon-manipulated drug release from a mesoporous nanocontainer controlled by azobenzene-modified nucleic acid. ACS Nano, 6(7), 6337-6344.

[7]D.A. Davis, A. Hamilton, J. Yang, L.D. Cremar, D. Van Gough, S.L. Potisek, M.T. Ong, P.V. Braun, T.J. Martinez, S.R. White, J.S. Moore, N.R. Sottos, Force?induced activation of covalent bonds in mechanoresponsive polymeric materials. Nature 459, 68–72 (2009)

D.A. Davis, A. Hamilton, J. Yang, L.D. Cremar, D. Van Gough, S.L. Potisek,

M.T. Ong, P.V. Braun, T.J. Martinez, S.R. White, J.S. Moore, N.R. Sottos,

Force?induced activation of covalent bonds in mechanoresponsive

polymeric materials. Nature 459, 68–72 (2009)

D.A. Davis, A. Hamilton, J. Yang, L.D. Cremar, D. Van Gough, S.L. Potisek,

M.T. Ong, P.V. Braun, T.J. Martinez, S.R. White, J.S. Moore, N.R. Sottos,

Force?induced activation of covalent bonds in mechanoresponsive

polymeric materials. Nature 459, 68–72 (2009)

作者：圓的方塊

編輯：luna

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