国防科大Adv. Mater. : 一种受叶片启发的高光谱伪装颜料

一、 【导读】 

叶片的绿色来源于体内活体色素对光的吸收和内部生物膜界面对光的反射这两者的综合效应。由于传统人工色料（颜料和染料）的显色机制与叶片发色机制明显不同，人们对于叶绿色的还原大多仍停留在色度值的维度，即在固定光线条件下呈现出与叶绿色相似的视觉观感。然而，从光谱维度对叶绿色进行还原仍然面临严峻的挑战。现有的人工伪装色料与自然叶片在光谱维度上存在显著差异，极易被高光谱成像技术捕捉并识别，从而导致伪装的失效。

叶绿体是叶片生色的主要器官，具有典型的微胶囊结构，其内部的叶绿素在与蛋白质和脂质的相互作用下形成了具有超高光谱选择性和超窄缝宽的体内吸收特征，能够将叶片的反射率降低至5%以下。此外，反射率在吸收截止后被微胶囊结构的界面反射所主导，又陡升至40-60%，从而形成叶片独有的“红边”特征。在高光谱成像技术研究领域，叶片的“红边”特征可用于远程检测并提取植被生理学信息，并被广泛认为是伪装目标识别的典型特征之一。“红边”特征的形成受控于微胶囊结构提供的稳定化学环境、界面性质等多种因素，因此难以用传统的人工色料进行复现。

二、【成果掠影】

近日，国防科技大学程海峰&祖梅团队从仿生角度出发，着力于源头设计，巧妙利用微胶囊技术模拟叶片的发色机制，对“红边”位置的调节进行针对性设计，突破了传统颜料“红边”位置与叶片存在偏差，且难以调控的技术难题，模拟了自然叶片由不同叶绿素含量导致的“红边”位置在697-719 nm的分布。该微胶囊颜料同时继承了传统颜料优异的加工性能，包括可涂层化和图案化以及多基底兼容特性。此外，以该颜料为基础设计的双层涂层结构实现了涂层近红外波段反射率在30-80%范围内独立于可见光波段的可控调节，涂层整体反射率不仅完全满足美军标对伪装网的光谱限制，而且与叶片光谱相似度高达99.7%，色差和光谱距离分别低至4.02和41.7，明显优于现有高光谱伪装材料的光谱性能，在植被冠层中能够有效欺骗高光谱成像技术和光谱角制图算法。这项研究为高光谱伪装及其他涉及精细光谱调控的应用研究领域提供了一种新思路。

该研究成果以“A Hyperspectral Camouflage Colorant Inspired by Natural Leaves”为题发表在Advanced materials上。

 三、【核心创新点】

1、该工作着眼于伪装颜料的源头设计，利用微胶囊技术模拟叶片的发色机制，将酞菁锌的单体态吸收和胶囊壁的界面反射效应有机结合，从而实现叶片“红边”特征的指纹级精准模拟和调控

2、基于双层结构涂层的光谱叠加技术可形成与植物叶片高度相似的可见近红外反射光谱，通过顶层和底层涂层厚度的独立调控可精准模拟自然界中不同叶绿素含量及不同厚度叶片的光谱变化

 四、【数据概览】

图1  仿生结构设计：a 叶片发色机制示意图；b 仿叶片设计微胶囊结构示意图；  c 叶片的反射率曲线；d 叶绿素和e 酞菁锌的吸光度曲线

图2  涂层设计及光谱调控机制：a 双层涂层设计示意图；b 双层涂层的光谱叠加；c涂层的界面形貌；d 不同厚度底层的反射率曲线；e 涂层符合美军标光谱范围；f 不同顶层厚度涂层的反射率曲线；g 顶层厚度与色度值的关系 

图3  光谱模拟性能： a 三种人工叶片与自然叶片的光谱对比（左）和光谱角制图（右）；b 人工叶片与现有叶片光谱模拟研究的光谱相似系数及色差对比； c 人工叶片与三种代表性光谱模拟材料的五类光谱性能对比

图4  高光谱伪装性能：人工叶片在植被背景中的a 高光谱成像和b 光谱角制图；人工叶片与不同品种叶片的c 高光谱成像和d 光谱角制图; 人工叶片与伪装织物的e 高光谱成像和f 光谱角制图

五、【成果启示】

人工伪装起源于自然界的伪装行为，并随着军事、狩猎和审美需求的发展而不断完善。近年来，用于目标探测的高光谱成像技术正在将伪装技术推向更高维度和更高精度。为了提高军事目标在特定背景下的伪装性能，不仅要求目标与背景“同色”，还需使目标与背景精细光谱特征实现高度匹配，才能应对日益发展的高光谱探测技术。除了军事应用外，精确光谱调控技术在辐射制冷、光学滤镜、光动力治疗和色彩还原等领域也受到广泛关注。

受叶片发色机制的启示，我们开发并验证了一种新颖的微胶囊颜料，该颜料具有非常优异的伪装应用潜力。这种颜料继承了自然叶片的吸收和反射机制，其与叶片的反射率相似程度超越了现有高光谱伪装材料的水平。得益于该伪装颜料独特的微胶囊结构，基于该颜料制备的图案化伪装涂层可以在模拟热带雨林背景的高温高湿条件下保持良好的光谱稳定性。此外，该涂层的双层结构使得“红边”和近红外反射特征可独立可调，能够模拟具有不同叶绿素含量和不同厚度的自然叶片在现实树冠环境中的光谱变化，且从可见光到近红外甚至红外波段都展现出较强的伪装性能。上述光谱性能赋予了涂层优异的高光谱伪装能力，可有效对抗基于光谱角制图的目标检测。基于该项研究的着色策略还可推广应用于丰富颜料的光谱库，并为高光谱伪装领域和其他光谱调控领域提供有益借鉴。

原文详情：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

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