操纵金属以实现自适应伪装
许多物种已经自然地进化出非凡的策略，以在视觉上适应它们的保护和捕食环境。研究人员已经研究了红外 (IR) 光谱中的自适应伪装，尽管该方法在实验室中开发具有很高的挑战性。在现在发表在科学进展上的新报告中, Mingyang Li 和国防科技大学的一个研究团队开发了自适应热伪装装置，该装置将纳米级铂 (Pt) 和银 (Ag) 电沉积铂膜的光学和辐射特性联系起来。基于金属的设备在中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR) 大气传输窗口 (ATW) 中保持大、均匀和一致的红外可调性。该团队对设备进行了多路复用和放大，从而实现了伪装能力的灵活性。该技术在各种伪装平台和许多热辐射管理技术中具有优势。
近年来，人们进行了广泛的研究工作，以控制物体的红外 (IR) 特征以在红外光谱中进行伪装。为了实现这一目标，科学家必须精确控制物体发出的辐射热以匹配背景。根据Stefan-Boltzmann 定律，物体的辐射热与其绝对温度的四次方和表面的辐射率成正比。为了动态控制物体的温度或热辐射，科学家们提供了微流体网络和热电系统保持适应性热伪装的可能方法。受金属的多种光学和辐射特性的启发，Li 等人。报道了基于纳米级铂 (Pt) 膜的可逆银 (Ag) 电沉积 (RSE) 设备具有出色的自适应热伪装能力。
由于纳米级铂膜具有高 IR 吸收和部分 IR 透射，因此可以通过设置中的 IR 吸收凝胶电解质层将其转化为吸收。在系统中施加沉积电压允许银在纳米级铂膜上逐渐电沉积，逐渐将红外吸收和透射转换为红外反射，从而使器件处于低发射状态。纳米级 Pt 薄膜不能溶解，因此，它们允许多次循环的 Ag 沉积和溶解，以便在许多循环中在高和低发射状态之间切换。李等人。开发了具有多种结构涂层、粗糙和柔性基板的多种设备，以形成多重格式以扩展伪装场景。
设备的动态 IR 响应。图片来源：科学进展，doi：10.1126/sciadv.aba3494
为了探索 IR 对金属基器件的调节，该团队首先研究了纳米级 Pt 薄膜的电学特性。他们检查了薄膜的光谱响应，其中增加 Pt 厚度显示 IR 透射率大幅下降，表明 IR 吸收主导了薄膜的光谱响应。科学家们进一步研究了 IR 调制的潜在范围和三电极可逆银电沉积 (RSE) 薄膜中纳米级铂薄膜的循环稳定性。由于 Ag 和 Pt 之间的能量有利界面，电沉积的 Ag 膜在 3 nm Pt 膜上表现出相对更均匀、连贯和细粒度的形态。这一特性使科学家们能够在短时间内将纳米级 Pt 薄膜转化为高红外反射薄膜。
为了评估具有不同 Pt 厚度的组装器件的 IR 性能，Li 等人。将它们连接到 50 0 C 热板上并记录它们的实时 MWIR(中波红外)和 LWIR(长波红外)图像。随着这些器件的表观温度逐渐降低，该团队施加 2.2 V 的负电压以逐渐在 Pt 表面电沉积 Ag 膜。当研究人员随后施加 0.8 V 的正电压时，电沉积的 Ag 膜可以完全溶解在电解质中，并转变为初始状态，表明器件的可逆性。该设备可以稳定运行多达 350 次完全可逆循环，以确认其稳定性和可逆性自适应热伪装。
为了多路复用和放大设备，Li 等人。构建了一个三乘三的多路复用 IR 可切换阵列和一个放大的独立设备。通过控制其独立像素的组合电沉积时间，科学家们在阵列上生成了不同温度的字母“N”、“U”、“D”和“T”作为长波红外图像。工作表明了复杂背景的适应性和自适应系统的大面积可行性。该团队接下来扩展了基于金属的动态红外调制机制在粗糙和灵活的设备上的伪装场景。在工作期间，他们取代了抛光的氟化钡 (BaF 2) 具有粗糙版本的基板，并使用聚丙烯 (PP) 薄膜来沉积纳米级 Pt 薄膜。由于 BaF 2的微米级粗糙度和 PP 薄膜的差的润湿性，该团队注意到需要更厚的 Pt 薄膜来形成物理连接和导电的薄膜。粗糙的基于BaF 2的器件漫反射设置中的外部热矩阵并抑制其自身的红外辐射，以有效减少来自外部环境的影响。工作中开发的粗略和灵活的自适应变体突出了基于金属的红外调制机制的多基板兼容性，从而扩展了设备的伪装场景。
李等人。然后将这些设备与结构色涂层相结合，以提高其可见光兼容性，从而防止它们在白天被可见光检测到。为此，他们在 BaF 2衬底和纳米级 Pt 膜之间使用了一系列可见波长尺度的厚氧化铬 (Cr 2 O 3 ) 层。在沉积不同厚度的 Cr 2 O 3层时，由于它们在可见光谱中的薄膜干涉效应，“装饰”器件显示出各种颜色。科学家们注意到结构颜色在设置中从相对较暗转变为更明显的颜色。Cr 2 O 3层仅在可见光谱中产生颜色，因此对器件的红外性能影响很小。结果表明，可以将简单的光学设计集成到自适应系统中以实现可见兼容性，从而使设备在白天更难被检测到。
通过这种方式，Mingyang Li 及其同事通过在纳米级铂薄膜上可逆地沉积银来开发自适应伪装装置。这些设备在中波红外和长波红外大气传输窗口中都显示出大的、均匀的和一致的红外可调性。科学家们通过对纳米级 Pt薄膜进行图案化或通过添加导电网格来实现复杂的背景适应性和大面积灵活性，从而轻松地对这些器件进行了复用。该团队通过添加一系列可见光波长尺度厚的 Cr 2 O 3实现了可见光兼容性层。在这项工作中开发的设备可以激发下一代自适应热伪装平台，这些平台可以快速精确地控制热辐射和伪装，以响应多光谱检测和对复杂环境的适应性。这些设备将应用于热辐射管理技术，包括节能建筑、温度调节服装和智能航天器。
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