三种颜色的PDMS(一种广泛使用的透明橡胶聚合物)像气球一样充气，这时灯箱发出的光从下面照射下来。顶部的一行显示了膨胀前的PDMS材料。底部一行显示了膨胀的PDMS，显示了下面放置的MIT标志。图片来源:Melanie Gonick/麻省理工学院
如果你曾经吹过气球或拉过连裤袜，你可能会注意到，这种材料拉伸得越多，它就变得越透明。这是一个非常简单的观察:材料越薄，穿过的光就越多。
现在，麻省理工学院(MIT)的科学家们提出了一种理论，根据材料的厚度和拉伸程度，可以准确预测有多少光通过一种材料。利用这一理论，他们准确地预测了橡胶类聚合物结构在像弹簧一样拉伸和像气球一样膨胀时透明度的变化。
麻省理工学院土木与环境工程系的博士后Francisco López Jiménez说，研究人员的实验聚合物结构和他们对聚合物结构的预测理解，可能有助于设计更便宜的智能窗户材料——自动调节入射光量的表面。
麻省理工学院博士后Francisco López Jiménez将聚合物PDMS的矩形薄片拉伸，他和他的同事用来预测当施加特定机械力时光的透射量。图片来源:Melanie Gonick/麻省理工学院
López Jiménez说:“对于能自动对光做出反应的建筑和窗户，你不需要花那么多钱在供暖和空调上。”“问题是，这些材料太贵了，不能为一栋建筑的每一扇窗户都生产。我们的想法是，通过拉伸一种非常简单的材料:一种现成的透明聚合物，寻找一种更简单、更便宜的方法，让更多或更少的光通过。”
López Jiménez设想用多层聚合物结构覆盖窗户表面。他说，设计师可以利用该小组的公式来确定施加在聚合物层上的力的大小，从而有效地调节入射光的数量。
研究团队——包括López Jiménez;佩德罗·里斯，吉尔伯特·w·温斯洛土木与环境工程及机械工程CD副教授;和阿布扎比马斯达尔科学技术学院的Shanmugam Kumar——本周在该杂志上发表了他们的研究结果先进的光学材料。
堆垛聚合物甲板
目前的工作来源于Reis、López Jiménez和Kumar的一个相关项目，他们分析了PDMS的一个简单块的透光特性，PDMS是一种广泛使用的橡胶透明聚合物。聚合物块包含一些黑暗区域，该团队正在观察块的变形将如何改变穿过材料的光。
López Jiménez说:“这是一次幸运的意外。”“我们只是在玩弄材料，很快就对如何预测和得到正确的数据感兴趣。”
研究人员着手制造一种软色复合材料，这种材料可以根据外界刺激(如电、化学或机械力)改变颜色或透明度。Reis和López Jiménez制作了一个薄薄的、矩形的透明PDMS薄片堆叠，并混合了一种黑色的、微米大小的染料颗粒溶液，这种染料颗粒可以很容易地拉伸或机械变形。由于没有变形，结构看起来不透明。当它被拉伸或膨胀时，这种材料可以让更多的光线进入。
充气PDMS材料的实验视图。图片来源:Melanie Gonick/麻省理工学院
在最初的实验中，研究人员用一束光照射注入染料颗粒的聚合物结构，并在没有任何变形的情况下表征了穿过材料的光量。然后，他们将聚合物垂直于光的方向拉伸，并测量聚合物的厚度和穿过聚合物的光线。
关于光的理论
他们利用比尔-朗伯定律(Beer-Lambert Law)来设计这个方程。比尔-朗伯定律是一种经典的光学理论，描述了光在具有特定性质的材料中的传播方式。该团队将这一理论与实验分析相结合，推导出了一个简单的方程，用以预测通过机械变形的PDMS结构透射的光量。
为了验证他们的公式，Reis和López Jiménez进行了另一组实验，他们将PDMS结构夹成圆盘的形状，然后当他们从下面发出光时，像气球一样将材料充气。他们测量了穿过的光的数量，发现当材料被拉伸和变薄时，更多的光穿过，强度与他们的方程预测的完全相同。
López Jiménez说:“我们可以预测并描述光的进化过程。”“如果你给我材料的初始属性，并测量入射光的强度，我们就知道有多少光会通过变形。”
他补充说，今后，他希望利用这个方程来帮助调整具有更复杂表面和纹理的材料的透明度和光学透过率。
Reis说:“软色复合材料为提供具有可切换和可调谐光学特性的材料提供了令人兴奋的机会。“对于混凝土工程应用，如通过智能窗户控制室内光线，应用这种相对简单但健壮且可预测的机制是一个令人兴奋的挑战，值得追求。”
加州大学圣地亚哥分校(University of California at San Diego)机械与航空航天工程助理教授蔡胜强(Shengqiang Cai)表示，除了智能窗户技术，该团队的彩色聚合物还可以应用于其他材料的应变测试。
“我想这样一层薄薄的软复合材料可以潜在地用作非线性应变计，”蔡说，他没有参与这项研究。“通过在工程结构上粘贴薄层软复合材料，我们可以可视化其表面变形，这显然是监测结构安全的重要信息。这个想法很简单。然而，正如这些作者所证明的那样，该系统的功能非常强大。”
这项工作得到了马斯达尔大学和麻省理工学院合作项目的支持。
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