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（來源：果殼）

不知道你是否刷到過這麼一個小玩意兒：一隻鴨子造型的小掛件，出門被陽光一曬，就逐漸變色，最後變成一隻“烤鴨”。

淘寶上熱賣的變色烤鴨

而且陽光越強變色越快，一般十幾秒就能熟透：

烤鴨變色過程（加速版）丨小紅書@Bright

連雷軍也逃不過它的魅力，看了就想買。

圖丨雷軍微博

四個月過去，也不知雷總買到了沒有┓( ´∀` )┏

我在B站上特意找到了這隻“烤鴨”的起源，這才發現“烤鴨”的年紀並不大，還不到一歲。

有一位叫做“有貓餅工作室”的UP主，總會用3D打印做一些稀奇古怪的小玩意。2024年10月份，這位UP主使用一種可以變色的3D打印線材，打印出了這隻“烤鴨”。

圖丨有貓餅工作室

這種3D打印線材有點特殊。據UP主說，這種線材是要把一種叫做“色粉”的東西和聚乳酸等基體相互融合攪拌而成。用來做“烤鴨”的這種色粉，被陽光中的紫外線照到時，會從白色變成粉色。

能在光的作用下改變顏色的材料，被統稱爲光致變色材料，或者叫光敏變色顏料。這就是烤鴨的奧祕。

何爲顏色？

爲了理解光致變色，我們先來說說何爲顏色。

顏色，不過是分子與光線之間的你來我往。當光照射到材料表面時，材料會選擇性吸收特定波長的光，未被吸收的光則會被反射回去或者透射過去；這些 “剩餘光” 進入人眼後，就形成了我們所看到的物體顏色。

比如，葉綠素，吸收紅光和藍光，反射綠光，因此呈綠色；胡蘿蔔素吸收藍光，反射紅光和黃光，因此呈現橙黃色。

紅色物體，反射紅光、吸收了其他顏色的光。白色物體則是不吸收光丨8thgradescience

一旦材料分子結構或成分發生變化，它們所呈現的顏色也會隨之改變。光致變色的本質，就是顏料中的分子能在紫外光的作用下發生變化，從A變成了B。

很多分子都有這種“變臉”本事，比如最常見的一類就是“螺吡喃（Spiropyran）”。

螺吡喃的變臉能力源於獨特的分子結構。它內部的一個環形結構中，有一個關鍵的 “螺碳原子”。這個“螺碳原子”就像一個靈活的鉸鏈，當受到紫外線照射時，這個碳原子與旁邊氧原子之間的鍵會斷裂開，從而讓整個分子從緊湊的環形變成開放的鏈狀。

隨着結構的變化，這個分子吸收光的能力也發生改變，外在顏色也隨之改變。

螺吡喃分子結構變化示意圖

更神奇的是，這種“變身”是可逆的。就像按開關一樣，用紫外線照射，它會從閉環變成開環；關閉紫外線照射，它的結構又能慢慢變回去，顏色也會跟着變回去。

無色螺吡喃水溶液，在紫外線下會變爲橙紅色；而當它暴露在可見光下時，顏色又會變淺

當然，變色分子中還有很多其他的高手。除了螺吡喃這類有機分子，無機化合物也能光致變色，後者基本是由於其內原子間電子轉移等過程造成的。

要說最典型的無機物變色例子，戴眼鏡的朋友們不陌生。有一種變色眼鏡，在室外紫外線照射下，鏡片會變墨鏡；回到室內，它又能恢復透明。這種變色本事，正是來自於其內部摻雜的鹵化銀之類的無機物顆粒。

變色眼鏡示意圖丨AI生成

當陽光中的紫外線照射到鏡片時，鹵化銀裏的鹵素離子會“釋放”出電子，這些電子很快被附近的銀離子“抓住”。這一過程會讓原本無色的鹵化銀分解，變成了不透明的銀原子和透明的鹵素原子。

這些銀原子會吸收周圍的光線，就像給鏡片拉上了一層“遮光簾”，鏡片的透光率降低，看起來就變成了墨鏡，幫我們擋住陽光。

當我們走進室內，有激活作用的陽光消失了，銀原子和鹵素原子會重新“手拉手”，變回鹵化銀。於是，鏡片就像解除了“墨鏡模式”，恢復到最初透明無色狀態了。

誰是變色材料中的勞模？

無論是有機物還是無機物，凡凡種種的光致變色材料各有千秋。評價光致變色材料優劣的指標有很多，不同的材料也有着各自的性能特點。

比如，螺吡喃類材料雖然變色快，但連續變幾百次後，可能分子就會壞掉，喪失變色能力；而二芳基乙烯能堅持百萬次“變色-褪色”循環，堪稱“變色勞模”。

再有，變色的響應速度也很影響實用性。想象一下，如果你戴着變色眼鏡開車進隧道，要是鏡片半分鐘才變透明，那可就壞了事了。除了剛纔說的無機物變色，還有一類叫做“偶氮苯”的有機分子，響應速度也很快，幾微秒就能變色，特別適合這種對速度有要求的場景。

所以，各種光致變色材料八仙過海，在各種應用中各顯神通。

遇光則變，用處不止烤鴨

讓這些分子來做變色烤鴨，有趣但太大材小用了。它們還能用於治病！

我們平時用藥，尤其是抗癌藥這種強力藥物時，希望它只在到達生病的細胞時釋放，不要提前釋放、傷害到正常細胞。這時，就需要一個藥物載體來控制。

以前的載體需要溫度、酸鹼度這些條件來觸發，不夠靈活；而光調控更精準、容易操作。光致變色分子這就派上用場了。

一種叫做偶氮苯（Azobenzenes）的分子登場了。它在可見光下是一種反式結構，紫外光下會變成另一種順式結構，就像是擰麻花一樣。

偶氮苯分子結構變化示意圖

有研究者就盯上了這種一擰就開的微觀結構。他們先做出一種二氧化硅納米顆粒的“小盒子”，這些盒子中裝上藥物分子，然後再盒子上掛了上“偶氮苯”分子作爲“開關”。

這個 “開關” 的工作原理是：在可見光下，偶氮苯讓納米顆粒的小孔口堵住，藥物跑不出來；換成紫外光，偶氮苯變結構，就會讓小孔打開，藥物就能釋放出來。而且這個過程是可逆的 ，再換回可見光，又能重新堵住孔，實現 “開關反覆用”。

這就相當於做了一個高度可控的藥物膠囊，能通過光精準控制藥物什麼時候釋放、釋放多少。比如，對於癌症治療來說，就可以通過紫外線光照，精準讓藥物在腫瘤部位釋放，減少對正常細胞的傷害，副作用更小。

……沒有光，也不是不行

“光”致變色只是變色途徑的一種。溫度、pH 值、機械壓力甚至接觸到某些金屬離子，都有可能讓分子發生變化。這些新的設計，能讓原本只能光致變色材料有了更多玩法。

科學家發現，通過調整螺吡喃的分子結構, 比如在環上增加不同的“零件”，可以精確控制它的變色條件。把它設計成只對特定金屬離子敏感，比如遇到銅離子會變紅，遇到鋅離子會變藍。它能像偵探一樣，檢測環境中的特定物質，特別是水環境中的各種重金屬元素。這樣我們不需要大型儀器輔助，直接裸眼就能判斷水體是否有重金屬離子的污染。

還有一種好玩的設計，就是把讓螺吡喃與一些特殊的塑料結合在一起，從而得到一種可以感受應力的材料。受到不同的力，材料就會變成不同顏色。在工業生產中，零件的磨損和損傷往往難以通過肉眼直接判斷，而加入了這種力致變色材料就能有望解決這一難題。

含有螺吡喃的PDMS彈性體，變形後會顯示“STOP”字樣丨參考文獻[7]

Guokr

再說回開頭的“烤鴨”。

這隻“烤鴨”的製作初衷，就是提醒人們注意紫外線輻射。紫外線看不見摸不着，對人體的傷害也有一定的滯後性；但它可是實實在在的1類致癌物，不僅是皮膚黑色素瘤的誘發因素，也可能導致眼部的腫瘤和白內障。

紫外線防護怎麼辦？烤鴨做出正確示範：塗防曬、打傘、戴墨鏡、給汽車貼膜呀！

塗了防曬霜的烤鴨，就不再變色了丨小紅書@吾二造物

參考文獻

[1] Kozlenko, A. S. , Ozhogin, I. V. , Pugachev, A. D. , Lukyanova, M. B. , El-Sewify, I. M. , & Lukyanov, B. S. . (2023). A modern look at spiropyrans: from single molecules to smart materials. Topics in current chemistry (Cham), 381(1), 8.

[2] Li, D. , Zheng, X. , He, H. , Boutinaud, P. , Xiao, S. , & Xu, J. , et al. (2024). A 20‐year review of inorganic photochromic materials: design consideration, synthesis methods, classifications, optical properties, mechanism models, and emerging applications. Laser & Photonics Reviews, 18(11).

[3] 王一璽. (2024). 一類螺吡喃衍生物在重金屬離子的裸眼檢測方面的應用研究.

[4] Zou, J., Liao, J., He, Y., Zhang, T., Xiao, Y., Wang, H., Shen, M., Yu, T., & Huang, W. (2024). Recent Development of Photochromic Polymer Systems: Mechanism, Materials, and Applications. Research, 7.

[5] 郭潔芬, 趙喜玲, 曹喜雲, 汪磊, & 劉鑫. (2021). 光致變色材料的製備,性能及變色機理. 化學工程師.

[6] Yuan, Q. , Zhang, Y. , Chen, T. , Lu, D. , Zhao, Z. , & Zhang, X. , et al. (2012). Photon-manipulated drug release from a mesoporous nanocontainer controlled by azobenzene-modified nucleic acid. ACS Nano, 6(7), 6337-6344.

[7]D.A. Davis, A. Hamilton, J. Yang, L.D. Cremar, D. Van Gough, S.L. Potisek, M.T. Ong, P.V. Braun, T.J. Martinez, S.R. White, J.S. Moore, N.R. Sottos, Force‑induced activation of covalent bonds in mechanoresponsive polymeric materials. Nature 459, 68–72 (2009)

D.A. Davis, A. Hamilton, J. Yang, L.D. Cremar, D. Van Gough, S.L. Potisek,

M.T. Ong, P.V. Braun, T.J. Martinez, S.R. White, J.S. Moore, N.R. Sottos,

Force‑induced activation of covalent bonds in mechanoresponsive

polymeric materials. Nature 459, 68–72 (2009)

作者：圓的方塊

編輯：luna

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