不知道你是否刷到过这么一个小玩意儿：一只鸭子造型的小挂件，出门被阳光一晒，就逐渐变色，最后变成一只“烤鸭”。
淘宝上热卖的变色烤鸭
而且阳光越强变色越快，一般十几秒就能熟透：
烤鸭变色过程（加速版）丨小红书@Bright
连雷军也逃不过它的魅力，看了就想买。
图丨雷军微博
四个月过去，也不知雷总买到了没有┓( ´∀` )┏
我在B站上特意找到了这只“烤鸭”的起源，这才发现“烤鸭”的年纪并不大，还不到一岁。
有一位叫做“有猫饼工作室”的UP主，总会用3D打印做一些稀奇古怪的小玩意。2024年10月份，这位UP主使用一种可以变色的3D打印线材，打印出了这只“烤鸭”。
图丨有猫饼工作室
这种3D打印线材有点特殊。据UP主说，这种线材是要把一种叫做“色粉”的东西和聚乳酸等基体相互融合搅拌而成。用来做“烤鸭”的这种色粉，被阳光中的紫外线照到时，会从白色变成粉色。
能在光的作用下改变颜色的材料，被统称为光致变色材料，或者叫光敏变色颜料。这就是烤鸭的奥秘。
何为颜色？
为了理解光致变色，我们先来说说何为颜色。
颜色，不过是分子与光线之间的你来我往。当光照射到材料表面时，材料会选择性吸收特定波长的光，未被吸收的光则会被反射回去或者透射过去；这些 “剩余光” 进入人眼后，就形成了我们所看到的物体颜色。
比如，叶绿素，吸收红光和蓝光，反射绿光，因此呈绿色；胡萝卜素吸收蓝光，反射红光和黄光，因此呈现橙黄色。
红色物体，反射红光、吸收了其他颜色的光。白色物体则是不吸收光丨8thgradescience
一旦材料分子结构或成分发生变化，它们所呈现的颜色也会随之改变。光致变色的本质，就是颜料中的分子能在紫外光的作用下发生变化，从A变成了B。
很多分子都有这种“变脸”本事，比如最常见的一类就是“螺吡喃（Spiropyran）”。
螺吡喃的变脸能力源于独特的分子结构。它内部的一个环形结构中，有一个关键的 “螺碳原子”。这个“螺碳原子”就像一个灵活的铰链，当受到紫外线照射时，这个碳原子与旁边氧原子之间的键会断裂开，从而让整个分子从紧凑的环形变成开放的链状。
随着结构的变化，这个分子吸收光的能力也发生改变，外在颜色也随之改变。
螺吡喃分子结构变化示意图
更神奇的是，这种“变身”是可逆的。就像按开关一样，用紫外线照射，它会从闭环变成开环；关闭紫外线照射，它的结构又能慢慢变回去，颜色也会跟着变回去。
无色螺吡喃水溶液，在紫外线下会变为橙红色；而当它暴露在可见光下时，颜色又会变浅
当然，变色分子中还有很多其他的高手。除了螺吡喃这类有机分子，无机化合物也能光致变色，后者基本是由于其内原子间电子转移等过程造成的。
要说最典型的无机物变色例子，戴眼镜的朋友们不陌生。有一种变色眼镜，在室外紫外线照射下，镜片会变墨镜；回到室内，它又能恢复透明。这种变色本事，正是来自于其内部掺杂的卤化银之类的无机物颗粒。
变色眼镜示意图丨AI生成
当阳光中的紫外线照射到镜片时，卤化银里的卤素离子会“释放”出电子，这些电子很快被附近的银离子“抓住”。这一过程会让原本无色的卤化银分解，变成了不透明的银原子和透明的卤素原子。
这些银原子会吸收周围的光线，就像给镜片拉上了一层“遮光帘”，镜片的透光率降低，看起来就变成了墨镜，帮我们挡住阳光。
当我们走进室内，有激活作用的阳光消失了，银原子和卤素原子会重新“手拉手”，变回卤化银。于是，镜片就像解除了“墨镜模式”，恢复到最初透明无色状态了。
谁是变色材料中的劳模？
无论是有机物还是无机物，凡凡种种的光致变色材料各有千秋。评价光致变色材料优劣的指标有很多，不同的材料也有着各自的性能特点。
比如，螺吡喃类材料虽然变色快，但连续变几百次后，可能分子就会坏掉，丧失变色能力；而二芳基乙烯能坚持百万次“变色-褪色”循环，堪称“变色劳模”。
再有，变色的响应速度也很影响实用性。想象一下，如果你戴着变色眼镜开车进隧道，要是镜片半分钟才变透明，那可就坏了事了。除了刚才说的无机物变色，还有一类叫做“偶氮苯”的有机分子，响应速度也很快，几微秒就能变色，特别适合这种对速度有要求的场景。
所以，各种光致变色材料八仙过海，在各种应用中各显神通。
遇光则变，用处不止烤鸭
让这些分子来做变色烤鸭，有趣但太大材小用了。它们还能用于治病！
我们平时用药，尤其是抗癌药这种强力药物时，希望它只在到达生病的细胞时释放，不要提前释放、伤害到正常细胞。这时，就需要一个药物载体来控制。
以前的载体需要温度、酸碱度这些条件来触发，不够灵活；而光调控更精准、容易操作。光致变色分子这就派上用场了。
一种叫做偶氮苯（Azobenzenes）的分子登场了。它在可见光下是一种反式结构，紫外光下会变成另一种顺式结构，就像是拧麻花一样。
偶氮苯分子结构变化示意图
有研究者就盯上了这种一拧就开的微观结构。他们先做出一种二氧化硅纳米颗粒的“小盒子”，这些盒子中装上药物分子，然后再盒子上挂了上“偶氮苯”分子作为“开关”。
这个 “开关” 的工作原理是：在可见光下，偶氮苯让纳米颗粒的小孔口堵住，药物跑不出来；换成紫外光，偶氮苯变结构，就会让小孔打开，药物就能释放出来。而且这个过程是可逆的 ，再换回可见光，又能重新堵住孔，实现 “开关反复用”。
这就相当于做了一个高度可控的药物胶囊，能通过光精准控制药物什么时候释放、释放多少。比如，对于癌症治疗来说，就可以通过紫外线光照，精准让药物在肿瘤部位释放，减少对正常细胞的伤害，副作用更小。
……没有光，也不是不行
“光”致变色只是变色途径的一种。温度、pH 值、机械压力甚至接触到某些金属离子，都有可能让分子发生变化。这些新的设计，能让原本只能光致变色材料有了更多玩法。
科学家发现，通过调整螺吡喃的分子结构, 比如在环上增加不同的“零件”，可以精确控制它的变色条件。把它设计成只对特定金属离子敏感，比如遇到铜离子会变红，遇到锌离子会变蓝。它能像侦探一样，检测环境中的特定物质，特别是水环境中的各种重金属元素。这样我们不需要大型仪器辅助，直接裸眼就能判断水体是否有重金属离子的污染。
还有一种好玩的设计，就是把让螺吡喃与一些特殊的塑料结合在一起，从而得到一种可以感受应力的材料。受到不同的力，材料就会变成不同颜色。在工业生产中，零件的磨损和损伤往往难以通过肉眼直接判断，而加入了这种力致变色材料就能有望解决这一难题。
含有螺吡喃的PDMS弹性体，变形后会显示“STOP”字样丨参考文献[7]
Guokr
再说回开头的“烤鸭”。
这只“烤鸭”的制作初衷，就是提醒人们注意紫外线辐射。紫外线看不见摸不着，对人体的伤害也有一定的滞后性；但它可是实实在在的1类致癌物，不仅是皮肤黑色素瘤的诱发因素，也可能导致眼部的肿瘤和白内障。
紫外线防护怎么办？烤鸭做出正确示范：涂防晒、打伞、戴墨镜、给汽车贴膜呀！
涂了防晒霜的烤鸭，就不再变色了丨小红书@吾二造物
参考文献
[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] 王一玺. (2024). 一类螺吡喃衍生物在重金属离子的裸眼检测方面的应用研究.
[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] 郭洁芬, 赵喜玲, 曹喜云, 汪磊, & 刘鑫. (2021). 光致变色材料的制备,性能及变色机理. 化学工程师.
[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)
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：圆的方块
编辑：luna
Guokr
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