科研快讯|我实验室李洋研究员在Advanced Materials发文：主动-被动协同红外伪装柔性超材料蒙皮

作为生物的必备生存技能之一，伪装在自然界中无处不在，最典型的是变色龙、章鱼等动物的动态变色能力。目前，随着红外探测技术的快速发展，多个重大领域对红外辐射可调控的动态伪装技术具有迫切需求。

传统红外伪装技术，通过极低的静态表面发射率有效抑制高温物体发出的热辐射，实现在冷背景（背景温度接近环境温度，如空旷区域等）下的红外伪装。然而，在高温背景中（如被太阳辐射加热的建筑物和地面，以及生物体、燃烧物等），理想的伪装表面需要具备自适应发射率动态调控能力以实现有效的红外伪装。简而言之，一种理想的红外伪装技术，应具备自适应（被动）和非易失（主动）两种发射率调制模式，以满足多场景智能红外伪装需求。然而，目前已有的动态红外伪装系统大多只具备单一的工作模式，且其复杂的结构也极大地限制了实际应用。因此，开发一种兼具多功能性与简单结构的红外伪装系统，是当前领域内亟待解决的挑战。

针对这一挑战，浙江大学机械工程学院梅德庆教授团队李洋研究员设计并制造了一种主动-被动协同红外伪装柔性超材料蒙皮（Metaskin）。采用集温度感知和形变驱动为一体的可重构皱纹-裂纹共存结构的设计，超材料蒙皮能够在“被动自适应”和“主动非易失”两种模式下运行。具体而言，当背景温度较高时，超材料进入被动模式，能够自主感知物体温度变化并实时动态调节其发射率ε，从而实现自适应红外伪装效果。其中，调节范围可达41%，响应时间仅为1.2秒。相反，当背景温度较低时，主动模式下工作的Metaskin能始终保持较低的ε，展现出非易失性。这种双模式设计确保了伪装目标在不同热环境下的强大适应性，为多场景红外伪装提供新思路。

相关工作以“Adaptive metaskins for active and passive thermal camouflage”的为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上，并被选为当期封底。浙江大学机械工程学院硕士研究生陈庆凯为论文第一作者，本实验室李洋研究员与香港科技大学李柯桥研究员为共同通讯作者，浙江大学机械工程学院梅德庆教授、汪延成教授，光电科学与工程学院李强教授为共同作者，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室为第一单位。该工作得到国家自然科学基金委和浙江省自然科学基金委的支持。

图1：多场景自适应红外伪装概念展示（期刊封底）

该蒙皮采用了独特的双层结构设计，通过智能温度响应基底与可重构低发射表面的有机结合，实现了发射率的自适应动态调控。其中，顶层的MXene材料具有独特的可重构“皱纹-裂纹”共存形貌。在底层液晶弹性体（LCE）的温度响应形变驱动下，该MXene表面能够可逆地在表面等离子体共振态（高发射率）和平坦高反射态（低发射率）两种状态之间切换。被动模式下，液晶弹性体能够自主感知目标温度变化，并驱动可重构表面发生形变，从而实现自适应的发射率调控。这一过程是连续且可逆的，且无需任何外部能量输入。相反，主动模式下，该自适应红外伪装蒙皮能够始终维持在低红外发射率状态。

研究团队对超表面的静态光学性能进行了评估。结果表明，在皱纹裂纹共存状态下，其在中红外波段的红外发射率相比平坦的低发射率状态显著提升了41%。与已报道的机械驱动系统相比，该Metaskin在相对较小的应变下实现了更大的发射率调制范围。从物理机制上看，这种较强的宽带红外吸收/发射效果，主要源于MXene表面独特的多周期皱纹和裂纹的协同作用。一方面，通过制备具有多个周期性的皱纹，实现了多种SPR模式的耦合，进而形成了宽带吸收光谱并保持了高吸收强度。另一方面，MXene裂纹下方暴露的液晶弹性体（LCE）基底，也能与入射光产生强烈的相互作用，进一步增强了整体的宽带红外吸收/发射，为动态发射率调控奠定了关键的物理基础。

非易失性的主动发射率调控技术在许多场景中都备受期待。与先前报道的机械响应式发射率调制装置不同，本文提出的Metaskin在其主动调控模式下，不仅能实现主动且可控的发射率调制，更具备非易失性，即在下次驱动前能保持恒定状态，无需持续供能。为了评估该性能，本文将Metaskin置于低温背景下，对温度从20 °C变化至120 °C的物体进行了伪装测试。结果显示，当伪装目标处于待机状态且温度与背景接近时，覆盖高发射状态Metaskin的目标能有效实现红外伪装。更为关键的是，当目标开始工作、温度上升时，该蒙皮能通过简单的加热切换至低发射率状态并维持，从而始终保持与背景的低红外辐射信号差异，实现持续伪装。此外，该蒙皮的发射率状态还可通过机械拉伸实现可逆切换，并在多重循环测试中表现出卓越的稳定性。

利用搭建的变温发射率测试平台，本文分别从定性和定量两个角度对Metaskin的自适应发射率动态调控特性进行了测试。结果表明，当温度从25 ℃升至120 ℃时，Metaskin在中红外波段的发射率呈现出连续单调递减的趋势，且这一过程完全可逆。具体数据分析显示：在25 ℃时，Metaskin在3-5 μm和8-14 μm两个红外探测窗口的平均发射率分别为52%和48%。随着温度单调升高，平均发射率逐渐降低，在120 ℃时达到15%和12%的最低值。值得注意的时，整个调控过程中仅存在轻微的迟滞效应。此外，多项测试还证实了Metaskin卓越的循环稳定性、耐久性和粘附强度，充分证明了其在实际应用中的巨大潜力。

为评估Metaskin在热背景下的自适应红外伪装性能，本文在实验室层面搭建了红外伪装性能测试平台。此外，实验同时测试了两个恒定的高发射率（约95%）和低发射率（约10%）的样品作为对照。整个过程中，在没有任何外力操控的情况下，覆盖了Metaskin的目标始终保持与背景高度匹配的红外热成像特征，实现了自适应实时红外伪装效果。在目标真实温度变化高达70 °C时，所设计的Metaskin与背景的平均红外辐射温差仅为4.7 °C，远低于低发射表面（11.2 °C）和高发射率表面（35.2 °C），充分证明了其优异的伪装能力。此外，该Metaskin同样适用于表面温度呈梯度分布的复杂目标，进一步拓展了其应用场景。