Science：这款材料学习乌贼，彩色与透明无缝切换

鸽子脖子上的羽毛，闪蝶华丽的翅膀，甚至切出来的卤牛肉，颜色都会随观察角度改变而改变。这是一种叫做“结构色”的光学现象，通过纳米级的材料结构排列让光线发生变化。不过要论自然界里控制色彩更丝滑的，还要数深海里的“伪装大师”——乌贼。它们不仅能变颜色、变花纹，甚至还能在“有色”和“透明”之间自如切换，通过神经控制其背部皮肤结构中色素细胞（也称虹彩细胞），几秒钟就能完成一次完美的隐身术。

自然中的结构色。图片来源：Trends Ecol. Evol. [1]

近日，美国加州大学尔湾分校Alon A. Gorodetsky教授课题组在Science 杂志上发表论文，通过对变色乌贼进行成像分析，揭示了其结构色产生的机制：虹彩细胞内部的周期性结构排列使折射率呈正弦波状变化，从而实现了组织在几乎透明与高度饱和的彩色状态之间的可逆切换。对该系统的计算建模进一步验证了仿生纳米结构的可行性，所设计结构展现出对可见光和红外光谱的可调响应。受此机制启发，研究团队开发出一种仿乌贼的多光谱复合材料，为伪装、热调控、显示与传感等领域的新型光学材料设计提供了全新思路。

仿生乌贼的多光谱复合材料。图片来源：Science

乌贼虹彩细胞内的反射板排列方式改变折射率。图片来源：Science[2]

研究发现，乌贼的虹彩细胞中的色斑阵列呈现出明显的角度依赖性结构色，覆盖整个可见光波段，包括蓝色、绿色、黄色、橙色和红色。单个色斑在接受神经生理刺激（如乙酰胆碱）后，可在0至120秒内从透明状态逐渐转变为红、橙或绿色，表现出高达200 nm的光谱位移。

乌贼背部色素细胞示意图及实拍变色图像。图片来源：Science

从不同角度观察时，单个色斑可展现出跨越约150 nm波段的虹彩结构色。通过共聚焦显微镜、免疫荧光成像和微光谱分析，进一步揭示了色斑内部存在三种类型的虹彩细胞。其中大多数（约96%）富含螺旋状板条柱结构，其余小部分（各约2%）分别包含分布式堆叠圆盘结构和密集的球状颗粒。相比之下，色斑外围的虹彩细胞主要由两种已知类型构成，分别具有平行褶皱状板条结构或人字形直板条结构。色斑内部的三种虹彩细胞在形态学特征上与外围两种类型显著不同。

乌贼背部虹彩细胞与组织层级结构。图片来源：Science

利用全息断层成像技术，研究者观测到细胞的整体形貌及其折射率分布。主要的虹彩细胞呈现出复杂的三维螺旋结构，每个细胞内部包含约10~40根片状体柱，每根柱上排列有约5~45个片状体，片状体之间的间距为100~700 nm。色斑中最常见的虹彩细胞不仅具备复杂的三维结构，其内部折射率也呈现出正弦波型的变化特征，数值范围大约在1.35至1.42之间。

乌贼背部虹彩细胞的三维成像扫描。图片来源：Science

通过计算建模发现，当结构周期不超过300 nm，且最大折射率低于1.5时，反射结构可同时实现鲜明的结构色和接近完全透明的状态，能够很好地模拟单个虹彩细胞表现出的窄带反射和高纯度色彩。相较之下，若采用三角波或方波形折射率分布，虽然也可产生色彩，但透明性将显著下降。这表明乌贼色斑之所以能在透明与高纯度结构色之间灵活切换，关键在于其虹彩细胞内部具有正弦波型的折射率分布。

三维建模与光学模拟。图片来源：Science

受乌贼背部虹彩细胞结构的启发，研究者利用具有正弦波折射率分布的纳米柱状金属氧化物复合材料，成功构建出仿生布拉格反射薄膜，可呈现鲜艳的蓝色、绿色和黄色。当施加机械应变改变其表面微结构时，材料的色彩饱和度明显降低；通过化学刺激调控其内部折射率，还可实现颜色变化，如蓝变绿、绿变橙或黄变红，最大波长位移可达90 nm，并伴随一定程度的透明度变化。材料在水中表现出明显的颜色红移，在棋盘格背景下呈现类似“伪装”的视觉效果，尤其在改变观察角度时，这种效果更加显著。

受乌贼启发的多彩变色复合材料设计。图片来源：Science

进一步地，将具正弦折射率分布的反射层与金属薄膜层相结合，研究者实现了在可见光至红外光范围内的动态变色与热调控功能。这些柔性复合材料在拉伸时变得更透明，受到化学刺激时颜色发生变化，同时展现出由金属薄膜调控的热外观与可调的表面温度，温度变化范围从-18°C至+4°C。材料还具备优异的机械性能，并能在不同角度和环境下保持稳定的光热响应。此外，凭借对从可见光到红外波段的精准调控能力，这类材料的大面积阵列有望应用于人体伪装系统等场景。

多彩变色复合材料的应用。图片来源：Science

“在自然界中，许多动物利用布拉格反射体展现结构色。其中乌贼能够快速且可逆地在透明与彩色状态之间切换，这种能力令人惊叹。”Alon Gorodetsky教授表示，“正是由于这些细胞内部具有特殊的亚细胞柱状结构，并呈现正弦曲线式的折射率分布，乌贼才能实现如此独特的光学行为”。Aleksandra Strzelecka补充道：“这些仿生材料不仅突破了传统静态颜色控制的限制，还能根据环境或机械刺激动态调节可见光与红外响应。这项技术令人振奋的原因之一，在于它具备天然的可规模化潜能。我们已经展示了大面积复合材料阵列，不仅可以模拟，甚至可能超越乌贼的自然光学能力，为伪装服装、响应式织物、多光谱显示器以及先进传感器等多种应用打开了新大门。”[3]

Gradient refractive indices enable squid structural color and inspire multispectral materials

Georgii Bogdanov, Aleksandra Anna Strzelecka, Nikhil Kaimal, Stephen L. Senft, Sanghoon Lee, Roger T. Hanlon, Alon A. Gorodetsky

Science2025, 388, 1389-1395. DOI: 10.1126/science.adn1570

参考文献：

[1] D. Stuart-Fox, et al., The paradox of iridescent signals. Trends Ecol. Evol. 2021, 36, 187-195. DOI: 10.1016/j.tree.2020.10.009

[2] M. D. Shawkey, Now you see me, now you don’t. Science 2025, 388, 1368-1369. DOI: 10.1126/science.ady8062

[3] UC Irvine-led team uncovers cell structures that squids use to change their appearance

（本文由小希供稿）