用光实时塑形水凝胶超薄薄膜

由软凝胶构成的会变形表面

想象一下，只需照射不同颜色的光，一个表面就能起皱、变平，并推动微小物体。在这项研究中，研究人员制备了超薄、富含水分的“水凝胶”薄膜，行为类似于活体皮肤：它们可以在不到一秒的时间内被光图案快速重塑，能长时间保持形态，并可按需擦除或重写。这类可控软表面有望成为未来智能传感器、光学器件，甚至为体外培养的组织提供类生命的机械刺激的基础。

来自变色动物的启示

许多动物依赖精细结构的皮肤或外壳来控制它们与环境的相互作用。莲叶由于微米级柱状结构而排斥水分，而蝴蝶翼和孔雀羽毛则利用纳米尺度的图案产生鲜艳的结构色。有些生物走得更远：变色龙和头足类动物会动态改变皮肤外观以伪装或传递信息。工程师长期尝试用称为水凝胶的柔软含水材料模仿这些技巧，水凝胶在受温度、化学物质或光触发时会膨胀或收缩。但大多数光响应水凝胶的形变太慢——需要几十秒或数分钟——而且其表面图案通常大于可见光波长，限制了在光子学和快速致动方面的实际应用。

光如何让凝胶“呼吸”

研究团队通过设计一种牢固附着在固体基底上的超薄水凝胶薄膜来解决这些限制，使其只能在上下方向上显著膨胀。聚合物网络中包含基于偶氮苯的特殊“客体”分子，这些分子在紫外光或可见光照射下可以在两种构型之间翻转。在水中，一种环状“主体”分子——环糊精——能夹持其中一种构型而无法夹持另一种。主客体结合时，网络变得更亲水并膨胀；当它们分离时，网络变得更疏水并收缩。由于薄膜仅几十到几百纳米厚，水分能够快速出入，使得这一分子开关能转化为整个表面的快速可逆运动。

用光绘制与擦除微小地形

研究人员借助精确控制的激光图案，将平坦薄膜转变为由脊、波和凸起组成的微小地形。通过先用紫外光使薄膜压缩，再用图案化的可见光照射，他们能够制造有序的“表面弯曲光栅”——高度为数百纳米、间距可达800纳米的规则波纹，尺寸小于可见光波长。这些结构在几秒内出现，可以用另一道紫外脉冲完全抹去，然后在同一位置重写不同的图案。薄膜在收缩与膨胀状态下厚度几乎翻倍，经受了数百次光切换循环，并且可达到每秒两次的形变频率——足以模拟人类静息心跳的速度。当有图案的凝胶被干燥后，这些结构在空气中可以稳定存在数周，但遇到湿气又会迅速消失，表现得像可重写的湿度敏感标签。

携带微小货物的移动波

除了静态图案外，作者们还展示了同时结合紫外光和可见光可以实时操控表面特征。宽幅紫外光束保持大部分薄膜处于收缩状态，而一个较小的可见光斑则在局部产生凸起或光栅贴片。移动该可见光斑会使隆起区域像行进的波一样迁移，同时紫外背景会抹除其后留下的轨迹。在稍厚的薄膜上，这些移动的凸起可以物理推动显微级玻璃珠，分隔颗粒团簇并将单个玻璃珠传送数十微米——实际上把凝胶表面变成了无需任何机械部件的可编程传送带。

会变色并偏转光线的悬浮薄膜

研究团队还将该概念从固体支撑上解放出来，制备了自由悬浮的水凝胶薄片。他们先在凝胶上压印一组被动波纹，然后让薄片漂浮在含有主体分子的溶液中。照射光线使得悬浮薄片在各方向膨胀或收缩，进而改变波纹的周期。由于这些波纹会对光发生衍射，改变其间距会在固定观察角度下改变看到的颜色，让人联想到变色龙皮肤可调的色彩。当激光束通过该悬浮光栅时，随着光驱动的膨胀而衍射出的光束方向来回摆动几个角度，展示了一种简单的光控光束偏转形式。

这对未来器件意味着什么

本质上，研究者构建了一种柔软、可重编程的表面，其形态和光学行为可以仅凭光来写入、移动与擦除。薄膜的响应时间处于人类可感知的尺度——从不到一秒到几秒不等——同时提供极精细的空间可控性，结构尺度甚至小于可见光波长。由于这些凝胶富含水分且机械特性温和，它们有朝一日可能为培养细胞提供动态环境、模拟呼吸等生物节律，或作为自适应光学元件和湿度敏感标签的基础。这项工作展示了如何将由颜色控制的简单分子“握手”放大为整个表面的复杂、类生命运动。

引用: Paatelainen, M., Meteling, H., Berdin, A. et al. Live-shaping of hydrogel thin films with light. Nat Commun 17, 3613 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71438-4

关键词: 光响应水凝胶, 动态表面, 表面弯曲光栅, 自适应光子学, 软致动器