上海益科循环科技推广中心张淼女士谈：可降解塑料在环境中的表现|“呦呦鹿鸣”绿会专家访谈（第二期）
中国生物多样性保护与绿色发展基金会（简称中国绿发会、绿会）于2022年3月中旬启动的《呦呦鹿鸣——绿会专家访谈》公益对话系列节目，旨在推动全球建设生态文明、共建地球生命共同体。2022年4月8日，《呦呦鹿鸣——绿会专家访谈》第二期： “可降解塑料，难题如何解？”在中国绿发会国际部成功举办。
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本次访谈由绿会“减塑捡塑”工作组顾问杨长江主持，邀请到了深圳市零废弃环保公益事业发展中心主任、“无毒先锋”行动发起人毛达博士；北京尼傲科技有限公司首席执行官孙巍先生；上海浦东益科循环科技推广中心主任张淼女士三位嘉宾，就如何定义可降解塑料、现有可降解塑料的环境表现、如何科学管理可降解塑料等议题展开深度讨论。
本次对话以线下、线上直播的方式举行，近4000人次在线参加了此次对话。
在对话中，张淼女士针对可降解塑料在环境中的表现做了如下分析：
非常高兴能跟大家一起来探讨这个问题。益科从2018年成立到现在，一直都非常关注塑料污染的问题。在新的禁塑令出台之后，可降解塑料变得很热，我们不可避免会关注到可降解塑料的议题，事实上它一直以来都是争议比较大的。在过去将近一年的时间里面，益科对可降解塑料相关的一些问题做了系统性的梳理，在今年2月份正式发布了《可降解塑料应用效果综述》报告。
报告除了对相关的定义标准，还有政策等等做了一些梳理以外，最核心的就是通过大量查阅相关科研论文，去看一下究竟可降解塑料的环境表现是怎样的。一方面看它在不同的环境里面降解效果究竟如何，另一方面就是降解或者说破碎之后，究竟对当地的生态以及生物的影响是怎样的，是不是有一定的毒性等等的这些问题做了一个梳理。
今天可以跟大家重点去介绍一下，一个是可降解塑料在水环境里面的表现，另外一个是在土壤环境里面的表现。
在介绍之前跟大家介绍一个背景。可降解塑料是一个大的概念，里面包含不同类型的塑料。就像我们使用传统塑料来说，常用的塑料袋用的是PE，饮料瓶是PET，塑料餐盒通常是PP，都是不同种类的聚合物。可降解塑料下面也是包含不同种类的塑料。另外它们其实也涉及了不同种类的认证，我们说的时候是说可降解塑料，但现在不存在一个叫可降解塑料这样一个认证，它通常通过的是“可工业堆肥”，“可家庭堆肥”，或者说“淡水可降解”，“海水可降解”，“土壤可降解”等等不同的认证。这也就意味着其实对于不同的产品来说，它都是要在一个特定的降解条件下才能实现降解。比如说可工业堆肥的可降解塑料，它是在50~70度的高温，比较高的湿度，又有丰富的微生物的条件下，它能够实现降解，这是它的一个限定条件。但是在自然环境中可能不满足它所需要的降解条件，或者不是最适宜它降解的条件。
我们接下来先看一下可降解塑料在水环境里面的表现。我们很多人关注塑料污染，其实就是从看到一些图片，比如说搁浅的鲸鱼解剖之后胃里面都是塑料袋，或者是海豹海龟误食了塑料制品导致死亡，这样的图片给大家的冲击是很大的。这是很多人关注塑料污染的一个重要原因。
那么这些所谓的可降解塑料，进入到水体环境里面，是不是可以像我们期待的那样很快发生降解，不会对海洋生物造成影响呢？有研究去测试了不同的类型可降解塑料在实验的海水环境里面的降解速度。比如说PLA是我们最常见的一个类型的可降解塑料，我们平常见了很多，比如可降解塑料吸管基本都是PLA的。在实验条件下，25℃恒温的不管是海水还是淡水的环境下，365天它的降解率不超过0.8%。也就是说它在长达一年的时间里面，在海水和淡水里面是几乎没有发生降解的。还有PBAT在同样的条件下，365天它的降解率是低于1.8%，PCL的降解率是低于2%。另外一个比较好的叫PLGA的可降解塑料是在270天的时间长度内同样是25℃恒温的海水淡水里面，它是实现100%的降解的，但是这个时间长度非常长。另外一种叫PHA基的，在365天25℃恒温海水降解了6%，25℃的淡水中是降低了8%，比例也是非常低。即便是像这两种在水体中已经算是降解效果非常好的可降解塑料他们也需要非常长的时间才能够完全或者只是部分的降解。
我们也就可以想象，实际上这些可降解塑料进入到海水环境之中，我们并不能够期待它真的很快发生降解，不对海洋生物造成任何的伤害。
另外PHA基的可降解塑料有另外一个实验，把它放在了一个32摄氏度的海水沉积物里面去进行测试，这个的结果是比较好，在56天的时间里面实现了100%的降解。这个也就涉及到另外一个比较尴尬的点，现在是存在“海水可降解”的认证，但是“海水可降解”的认证，只模拟了一种海水条件，但实际上海洋环境是非常复杂的。比如说一个塑料袋进入到海水当中去，它有可能是漂浮在海面上，也有可能是悬浮在海水里面，也有可能进入到沉积海底的沉积物里面，而且海水深度是有可能差异非常大，也就意味着它所涉及到的自然条件、光照、含氧量、微生物的差异都非常大。所以即便说它能够通过其中一种环境的测试，但是在他进入了海洋环境之后，它所处的环境是有可能在不断变化当中的，它是不是还是能够都在不同的海洋环境之下都能够实现降解，我们需要打一个问号。
我们还关心的一个问题。很多对海洋生物造成的伤害是因为海洋生物误食了塑料制品，但他们没有办法消化，最后就导致了海洋生物的死亡。如果在海洋生物的消化系统内，它是不是能够比较快的降解？我们找到了有一篇研究是做了相关的测试，它是做了一种淀粉基的可降解塑料在海龟胃液里面的降解情况的一个测试，在49天之后只降解了3%~9%，降解的速度也是非常慢的。一旦他们被海洋生物误食，并不能说因为它是挂了一个可降解塑料的名号，真的能够减少对海洋生物的伤害。
所以这个也是为什么我们前面说到，即便这些一次性用品使用了所谓的可降解塑料，它是不是一个进步？如果它不能够避免相关导致这样的一个问题，它的意义有多大？如果最后其实进入到环境中，它又不能够很快的降解，大部分情况它是进入到焚烧厂填埋场，它是不是真的就比传统的不可降解的塑料要表现更优异？
微塑料的话题也是大家现在普遍比较关注的，近期我们还看到有报道说，在人体的血液当中、肺部里面都有发现了微塑料，可降解塑料它降解成微塑料以后对于海洋生物的影响是怎么样的，我们也找到了不同的科研论文，去看可降解塑料在碎片状或者是粉末状的时候，是对这些海洋生物有什么样的影响。
当然这方面的论文还比较少，目前看到的有，比如说PLA它有不同的论文做了对海鞘、平牡蛎还有海蚯蚓这几种生物的影响，负面影响是偏多的，比如它会降低海鞘的受精率，海蚯蚓和牡蛎它都会影响他们所处的环境的一个生态丰度，还是有一定负面影响。但是也有个别的研究，当然是其他种类的可降解塑料，增加了梭鱼增重的速度。所以可能我们就需要一个更长的时间，更多的研究去验证，究竟可降解塑料在变成微塑料后对于海洋生物究竟是有什么样的影响。
但是在我们没有一个足够的证据证明它对海洋生物是无害的前提下，我们不能够贸然的去认为可降解塑料是一个进入到海洋很快发生破碎之后，就解决了海洋塑料污染问题的一个材料。
另外除了水体之外，我们也看了一下它在土壤的环境下的降解条件。刚刚毛达老师有说过他们做的一个实验，即便是在一个湿度条件非常好的土壤环境里面，它的降解率也是很低的。
我们也看到有一篇论文它是测试了PLA、PBAT和PPDO这3种塑料在6个月内的降解率。PLA和PBAT的降解率都低于10%，PPDO要好一些，是接近60%，这个已经算是一个比较理想的状态了。但是我们如果只是把它们随意的埋在丢弃到野外，它在露天或者是被在掩埋在土壤里的这种条件，降解速度也是非常慢的。
同样在陆地上也存在这样两个问题，一个是如果被野生动物误食，像在我们青藏高原有这样的一些塑料垃圾的问题，有牦牛误食了塑料制品的话，同样会对它的生命造成威胁；另外一个对植物根系的影响。
但是相对来说，我们从数据上也可以看到说，至少在土壤环境里面，它在降解速率相比于在水环境里面还是要稍微好一点，因为相对来说是土壤环境微生物的种类各方面这些条件还是要比水环境的要好一些。
现在可降解塑料有一个很重要的应用方向是应用在农业生产上，用于农膜。农膜我不知道大家有没有见过，在农村耕地的时候有很多会在地面覆一层膜，这个膜的作用是保温保水，有一定程度上它还可以起到防虫害、减少杂草的等等这些作用，它在农业生产上增产的作用是非常显著的，所以在我们国家农膜的使用量也是很大的。
我们就从4个角度去看了一下，如果我们去使用可降解塑料来替代传统的PE塑料制造农膜的话，效果如何：一个是它的生产效果，第二个它如果残留在土壤里面，它的降解性，第三是微塑料的残留对于植物的影响，第四是里面的添加剂对植物的影响。
在增产效果上总结下来——我们在报告里面也列了非常多相关研究的一些结果，做了一个很长的列表——总结下来它还是要比不使用农膜的情况有增产的效果，但是普遍相对于传统PE塑料，它的增产效果没有那么好，比如说它在保温保水作用上效果相对没有那么好，或者是因为它过早的发生了破裂，可能在植物的生长后期，它就没有那么好的一个保温保湿效果。但是它在个别的作物上可能表现反而更好，比如说花生。花生在生长的后期是需要下针到土壤里面去，然后在土壤里结出花生来，但如果是PE塑料它太结实了，容易会影响花生下针。可降解塑料因为破裂的比较早，反而比较方便花生下针，这个是能更有利的一个角度。
在降解效果上，我们发现它绝大部分实验都是表明它如果有一定的碎片残留在土壤里面，它的降解速度还是明显的快于传统塑料的，还是一个比较觉得值得欣慰的地方。比如对于一些大田作业的地区，这些地膜人工收集是不太可能的，机械收集不可避免的会产生一些碎片残留。这种情况使用可降解塑料可能确实是更有利的。
我们又继续看了一下，它变成了微塑料之后，他是不是说对生物当地的比如作物的生长，包括土壤的一些微环境的影响。很遗憾的是发现它在变成微塑料之后，还是会对作物的生长有一定的负面的影响的。但也有一些研究是觉得它反而增加了当所在土壤的微生物的风度，让它的种类变得更丰富了，可能是有利的，我觉得也是需要更多的研究来去验证它究竟总体上是一个更好的还是说更差的影响。
还有一个角度，可降解塑料它其实跟其他塑料也一样，它同样的使用大量的添加剂，其中有一个比较重要的就是增塑剂。增塑剂其中非常常用，但是现在争议很大的一个品类叫邻苯二甲酸酯。也有不同的研究证明，这类增塑剂如果进入到土壤当中，对植物是有很多负面影响的。
所以综合下来看，可以说它同样可以起到一定的增产效果，它的降解效果也不错，但是它也同样具有影响植物生长和包括影响土壤的环境的这么一个风险。我们在最近的福建和天津的塑料污染治理方案里面都看到，虽然对整体对可降解塑料采取了一个更谨慎的态度，但是对于可降解农膜其实是一个更加鼓励希望推广态度。尤其这些省份农田面积不会很大，同时又经济效益比较高，又比较富裕的地区其实是比较倾向于使用可降解地膜来解决农田塑料污染的问题。也希望各地在推广之前能够充分的考虑到它可能带来的这些风险，而不要再犯之前推广可降解塑料同样错误，盲目去推广它，而是要把他所有的风险都能够充分考虑到。
这是我的一个分享。主持人也可以帮忙把我们报告的链接放到聊天的对话里面去，如果大家感兴趣，也可以看一下我们的完整的报告。
https://t.cn/A66m44Jv
（本文根据会议记录整理，供参考。详情可以观看绿会融媒直播回放。）
整理 | Sara
审核 | Song
责编丨青鸯
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在对话中，张淼女士针对可降解塑料在环境中的表现做了如下分析：
非常高兴能跟大家一起来探讨这个问题。益科从2018年成立到现在，一直都非常关注塑料污染的问题。在新的禁塑令出台之后，可降解塑料变得很热，我们不可避免会关注到可降解塑料的议题，事实上它一直以来都是争议比较大的。在过去将近一年的时间里面，益科对可降解塑料相关的一些问题做了系统性的梳理，在今年2月份正式发布了《可降解塑料应用效果综述》报告。
报告除了对相关的定义标准，还有政策等等做了一些梳理以外，最核心的就是通过大量查阅相关科研论文，去看一下究竟可降解塑料的环境表现是怎样的。一方面看它在不同的环境里面降解效果究竟如何，另一方面就是降解或者说破碎之后，究竟对当地的生态以及生物的影响是怎样的，是不是有一定的毒性等等的这些问题做了一个梳理。
今天可以跟大家重点去介绍一下，一个是可降解塑料在水环境里面的表现，另外一个是在土壤环境里面的表现。
在介绍之前跟大家介绍一个背景。可降解塑料是一个大的概念，里面包含不同类型的塑料。就像我们使用传统塑料来说，常用的塑料袋用的是PE，饮料瓶是PET，塑料餐盒通常是PP，都是不同种类的聚合物。可降解塑料下面也是包含不同种类的塑料。另外它们其实也涉及了不同种类的认证，我们说的时候是说可降解塑料，但现在不存在一个叫可降解塑料这样一个认证，它通常通过的是“可工业堆肥”，“可家庭堆肥”，或者说“淡水可降解”，“海水可降解”，“土壤可降解”等等不同的认证。这也就意味着其实对于不同的产品来说，它都是要在一个特定的降解条件下才能实现降解。比如说可工业堆肥的可降解塑料，它是在50~70度的高温，比较高的湿度，又有丰富的微生物的条件下，它能够实现降解，这是它的一个限定条件。但是在自然环境中可能不满足它所需要的降解条件，或者不是最适宜它降解的条件。
我们接下来先看一下可降解塑料在水环境里面的表现。我们很多人关注塑料污染，其实就是从看到一些图片，比如说搁浅的鲸鱼解剖之后胃里面都是塑料袋，或者是海豹海龟误食了塑料制品导致死亡，这样的图片给大家的冲击是很大的。这是很多人关注塑料污染的一个重要原因。
那么这些所谓的可降解塑料，进入到水体环境里面，是不是可以像我们期待的那样很快发生降解，不会对海洋生物造成影响呢？有研究去测试了不同的类型可降解塑料在实验的海水环境里面的降解速度。比如说PLA是我们最常见的一个类型的可降解塑料，我们平常见了很多，比如可降解塑料吸管基本都是PLA的。在实验条件下，25℃恒温的不管是海水还是淡水的环境下，365天它的降解率不超过0.8%。也就是说它在长达一年的时间里面，在海水和淡水里面是几乎没有发生降解的。还有PBAT在同样的条件下，365天它的降解率是低于1.8%，PCL的降解率是低于2%。另外一个比较好的叫PLGA的可降解塑料是在270天的时间长度内同样是25℃恒温的海水淡水里面，它是实现100%的降解的，但是这个时间长度非常长。另外一种叫PHA基的，在365天25℃恒温海水降解了6%，25℃的淡水中是降低了8%，比例也是非常低。即便是像这两种在水体中已经算是降解效果非常好的可降解塑料他们也需要非常长的时间才能够完全或者只是部分的降解。
我们也就可以想象，实际上这些可降解塑料进入到海水环境之中，我们并不能够期待它真的很快发生降解，不对海洋生物造成任何的伤害。
另外PHA基的可降解塑料有另外一个实验，把它放在了一个32摄氏度的海水沉积物里面去进行测试，这个的结果是比较好，在56天的时间里面实现了100%的降解。这个也就涉及到另外一个比较尴尬的点，现在是存在“海水可降解”的认证，但是“海水可降解”的认证，只模拟了一种海水条件，但实际上海洋环境是非常复杂的。比如说一个塑料袋进入到海水当中去，它有可能是漂浮在海面上，也有可能是悬浮在海水里面，也有可能进入到沉积海底的沉积物里面，而且海水深度是有可能差异非常大，也就意味着它所涉及到的自然条件、光照、含氧量、微生物的差异都非常大。所以即便说它能够通过其中一种环境的测试，但是在他进入了海洋环境之后，它所处的环境是有可能在不断变化当中的，它是不是还是能够都在不同的海洋环境之下都能够实现降解，我们需要打一个问号。
我们还关心的一个问题。很多对海洋生物造成的伤害是因为海洋生物误食了塑料制品，但他们没有办法消化，最后就导致了海洋生物的死亡。如果在海洋生物的消化系统内，它是不是能够比较快的降解？我们找到了有一篇研究是做了相关的测试，它是做了一种淀粉基的可降解塑料在海龟胃液里面的降解情况的一个测试，在49天之后只降解了3%~9%，降解的速度也是非常慢的。一旦他们被海洋生物误食，并不能说因为它是挂了一个可降解塑料的名号，真的能够减少对海洋生物的伤害。
所以这个也是为什么我们前面说到，即便这些一次性用品使用了所谓的可降解塑料，它是不是一个进步？如果它不能够避免相关导致这样的一个问题，它的意义有多大？如果最后其实进入到环境中，它又不能够很快的降解，大部分情况它是进入到焚烧厂填埋场，它是不是真的就比传统的不可降解的塑料要表现更优异？
微塑料的话题也是大家现在普遍比较关注的，近期我们还看到有报道说，在人体的血液当中、肺部里面都有发现了微塑料，可降解塑料它降解成微塑料以后对于海洋生物的影响是怎么样的，我们也找到了不同的科研论文，去看可降解塑料在碎片状或者是粉末状的时候，是对这些海洋生物有什么样的影响。
当然这方面的论文还比较少，目前看到的有，比如说PLA它有不同的论文做了对海鞘、平牡蛎还有海蚯蚓这几种生物的影响，负面影响是偏多的，比如它会降低海鞘的受精率，海蚯蚓和牡蛎它都会影响他们所处的环境的一个生态丰度，还是有一定负面影响。但是也有个别的研究，当然是其他种类的可降解塑料，增加了梭鱼增重的速度。所以可能我们就需要一个更长的时间，更多的研究去验证，究竟可降解塑料在变成微塑料后对于海洋生物究竟是有什么样的影响。
但是在我们没有一个足够的证据证明它对海洋生物是无害的前提下，我们不能够贸然的去认为可降解塑料是一个进入到海洋很快发生破碎之后，就解决了海洋塑料污染问题的一个材料。
另外除了水体之外，我们也看了一下它在土壤的环境下的降解条件。刚刚毛达老师有说过他们做的一个实验，即便是在一个湿度条件非常好的土壤环境里面，它的降解率也是很低的。
我们也看到有一篇论文它是测试了PLA、PBAT和PPDO这3种塑料在6个月内的降解率。PLA和PBAT的降解率都低于10%，PPDO要好一些，是接近60%，这个已经算是一个比较理想的状态了。但是我们如果只是把它们随意的埋在丢弃到野外，它在露天或者是被在掩埋在土壤里的这种条件，降解速度也是非常慢的。
同样在陆地上也存在这样两个问题，一个是如果被野生动物误食，像在我们青藏高原有这样的一些塑料垃圾的问题，有牦牛误食了塑料制品的话，同样会对它的生命造成威胁；另外一个对植物根系的影响。
但是相对来说，我们从数据上也可以看到说，至少在土壤环境里面，它在降解速率相比于在水环境里面还是要稍微好一点，因为相对来说是土壤环境微生物的种类各方面这些条件还是要比水环境的要好一些。
现在可降解塑料有一个很重要的应用方向是应用在农业生产上，用于农膜。农膜我不知道大家有没有见过，在农村耕地的时候有很多会在地面覆一层膜，这个膜的作用是保温保水，有一定程度上它还可以起到防虫害、减少杂草的等等这些作用，它在农业生产上增产的作用是非常显著的，所以在我们国家农膜的使用量也是很大的。
我们就从4个角度去看了一下，如果我们去使用可降解塑料来替代传统的PE塑料制造农膜的话，效果如何：一个是它的生产效果，第二个它如果残留在土壤里面，它的降解性，第三是微塑料的残留对于植物的影响，第四是里面的添加剂对植物的影响。
在增产效果上总结下来——我们在报告里面也列了非常多相关研究的一些结果，做了一个很长的列表——总结下来它还是要比不使用农膜的情况有增产的效果，但是普遍相对于传统PE塑料，它的增产效果没有那么好，比如说它在保温保水作用上效果相对没有那么好，或者是因为它过早的发生了破裂，可能在植物的生长后期，它就没有那么好的一个保温保湿效果。但是它在个别的作物上可能表现反而更好，比如说花生。花生在生长的后期是需要下针到土壤里面去，然后在土壤里结出花生来，但如果是PE塑料它太结实了，容易会影响花生下针。可降解塑料因为破裂的比较早，反而比较方便花生下针，这个是能更有利的一个角度。
在降解效果上，我们发现它绝大部分实验都是表明它如果有一定的碎片残留在土壤里面，它的降解速度还是明显的快于传统塑料的，还是一个比较觉得值得欣慰的地方。比如对于一些大田作业的地区，这些地膜人工收集是不太可能的，机械收集不可避免的会产生一些碎片残留。这种情况使用可降解塑料可能确实是更有利的。
我们又继续看了一下，它变成了微塑料之后，他是不是说对生物当地的比如作物的生长，包括土壤的一些微环境的影响。很遗憾的是发现它在变成微塑料之后，还是会对作物的生长有一定的负面的影响的。但也有一些研究是觉得它反而增加了当所在土壤的微生物的风度，让它的种类变得更丰富了，可能是有利的，我觉得也是需要更多的研究来去验证它究竟总体上是一个更好的还是说更差的影响。
还有一个角度，可降解塑料它其实跟其他塑料也一样，它同样的使用大量的添加剂，其中有一个比较重要的就是增塑剂。增塑剂其中非常常用，但是现在争议很大的一个品类叫邻苯二甲酸酯。也有不同的研究证明，这类增塑剂如果进入到土壤当中，对植物是有很多负面影响的。
所以综合下来看，可以说它同样可以起到一定的增产效果，它的降解效果也不错，但是它也同样具有影响植物生长和包括影响土壤的环境的这么一个风险。我们在最近的福建和天津的塑料污染治理方案里面都看到，虽然对整体对可降解塑料采取了一个更谨慎的态度，但是对于可降解农膜其实是一个更加鼓励希望推广态度。尤其这些省份农田面积不会很大，同时又经济效益比较高，又比较富裕的地区其实是比较倾向于使用可降解地膜来解决农田塑料污染的问题。也希望各地在推广之前能够充分的考虑到它可能带来的这些风险，而不要再犯之前推广可降解塑料同样错误，盲目去推广它，而是要把他所有的风险都能够充分考虑到。
这是我的一个分享。主持人也可以帮忙把我们报告的链接放到聊天的对话里面去，如果大家感兴趣，也可以看一下我们的完整的报告。
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【智能液晶高分子薄膜会变色、有记忆、能自愈】科技日报：前主流的变色材料主要由无机分子或者可变色的染料分子构成。天津大学封伟教授团队用高分子制备出一种厚度只有200微米，具有变色、记忆和自愈合功能的智能变色液晶高分子薄膜，这种薄膜在多个领域展现出应用前景。
新买的包包可以随意变换颜色，不小心刮破的衣服能像皮肤一样愈合……这些似乎只在科幻电影里出现过的场景，如今已逐渐成为现实。
日前，天津大学封伟教授团队成功研发了一种新型智能材料——智能变色液晶高分子薄膜（以下简称薄膜）。这种新材料不仅能变色，还有形状记忆和自愈合功能。相关研究被选为封面文章刊发在国际期刊《德国应用化学》上。
通过液晶分子周期排列实现材料变色
在神奇的自然界中，许多生物经过亿万年的自然选择和进化，逐渐演变出自适应变色伪装能力，以便能随时躲避天敌。
比如变色龙就能够通过主动控制细胞层内部的纳米晶体排列结构，根据周围环境实现自身颜色的变化，达到与背景颜色匹配的目的。
研究发现，变色龙处于平静状态时，其细胞层内部的纳米晶体的排列是紧密的，可以特异性地反射短波长的可见光；而面临紧急情况时，变色龙就会通过机械力作用，主动控制晶体的疏密程度，使晶体的排列变得更加松散，选择性反射波长更长的光。
“这些生物体独特的表皮微纳光学结构及其自主动态变色的机制，为我们开发新型仿生智能变色材料提供了丰富的灵感。”天津大学材料学院高分子系教授封伟说。
近年来，国内外研究团队在仿生变色龙的智能变色材料方面取得了一系列重要进展。胆甾相液晶等手性液晶材料是一类具有周期性螺旋超结构的手性软光子晶体，不仅能选择性地反射不同波长的可见光，还能够灵敏地响应力、热、电、光、磁等环境刺激变化，呈现出结构色的动态变化。
封伟团队在此基础上，将动态共价键分子与液晶单体混合，通过溶剂挥发的方法使液晶单体分子自组装成周期排列的胆甾相液晶结构，最后通过光照聚合得到一种厚度只有200微米，具有拉伸变色、形状记忆功能和自愈合功能的液晶高分子薄膜。当前主流的变色材料主要由无机分子或者可变色的染料分子构成，通过有机高分子构筑的变色材料比较少见。
“根据布拉格反射公式，材料的反射波长与材料的微观结构排列周期是正相关的，光照到材料上时，只有特定波长的光能从材料中反射出来形成颜色，这种颜色俗称结构色。”封伟介绍，与染料的颜色不同，这种结构色会更加鲜艳、更加稳定。
薄膜内部的液晶分子是周期排列的。在拉伸薄膜时，材料内部液晶分子的排列周期会变短，因此会导致反射出来的颜色发生变化，这一变色机理与变色龙皮肤颜色的变化机理类似，薄膜的结构色可在可见光谱范围内进行动态调节。
引入动态共价键让薄膜有记忆能愈合
团队还将动态共价键分子引入液晶高分子中，使得薄膜具有形状记忆功能和自愈合功能。
“薄膜还拥有‘记忆编程’的特性，可以被拉伸成螺旋形、波形、圆柱形和更复杂的二维或三维形状并保持不变，当薄膜加热到相变温度以上后，又能恢复到最初的形状。”封伟解释说，这是因为加热激活了动态共价键发生键交换反应，使液晶高分子在网状结构内部形成新的拓扑结构。利用这种特性，他们通过反复将材料加热到100℃和冷却到25℃，让材料实现了在三维形状与二维形状之间以及不同颜色之间的可逆转换。
此外，因为在高分子网络中加入的动态共价键，遇到水分子后会发生断裂，水挥发后，动态共价键又会进行重组恢复初始状态，这样薄膜就拥有了自愈合的能力。
这种薄膜的自愈能力十分惊人，而且自愈后仍然非常结实。团队将薄膜切成两部分后，在损伤界面滴加水后，室温下放置24小时，分开的两部分会自动愈合，愈合后的薄膜被拉伸到原始长度的180%也不会断裂，并能承受自身1000倍的重量。
这项研究为制备兼具力致变色、形状可编程和高效自愈合等特性的液晶高分子材料提供了一种既简单又通用的方法，有望为开发仿生变色伪装材料、自适应光学系统和软体机器人等开辟新的方向。
媲美变色龙皮肤的“超级材料”用途广
经过几十年的研究与发展，智能变色材料的应用已经拓展到日常生活各个领域。比如，美国一家公司曾将热致变色性涂料用在陶瓷杯上，室温时陶瓷杯上的夜景，在倒入热水后会变换成日间景象，通过图案的变化就能知道杯子内水的冷热情况。
“具有结构色的材料已经在生活中有广泛应用。”封伟举例说，在轮胎边缘加入合适的变色高分子材料能制成智能轮胎，当外界温度或内部温度超过轮胎的正常使用温度时，智能轮胎会变色以示警告；变色高分子材料还可用于制作变色车窗玻璃、变色油漆，尤其是变色车窗是近十几年发达国家竞相研究的重要课题，目前，已有电致变色的调光玻璃应用的报道，而光致变色和热致变色的智能车窗玻璃还在进一步研制之中。
智能变色材料还可以做成能指示冷热的智能用品，例如将智能变色涂料镀膜在木材、金属、陶瓷等基材上，可做成能指示冷热用的变色茶杯和婴儿用的汤勺、奶瓶等。
另外，可变色的圆珠笔油、变色指甲油、变色儿童玩具、热敏体温计等产品都已经问世，这些产品极大地丰富了人们的生活。
防伪技术的研究历来就是一个受到普遍关注的课题，迄今为止，防伪领域所采用的方法多为激光防伪，使用设备昂贵，造价高。“而基于智能变色高分子材料的防伪方法具有操作简单、识别方便、成本低等特点，在技术保密性和防伪有效性等方面都有较大的优势。”封伟说。
目前，化学防伪标记一般直接印刷在商标、标签、封签或外包装上，因此制作化学防伪标记的关键是制备防伪印刷油墨，制备这种油墨的变色材料需要耐久性好、成本低，其变色发生的温度及变化的颜色要具有可选择性，因此智能变色材料也是化学防伪标记的首选材料。
将智能变色材料涂在织物上还可以做成变色服装，这种衣服穿在身上，会随着季节不同、地区不同、温度不同而呈现出不同的色彩。这种智能变色材料同样也可以用于桌布、窗帘等各种变色纺织品的生产。
“未来我们计划制备出仿变色龙皮肤的变色伪装材料，使材料的颜色能够与背景环境的颜色相匹配，实现变色伪装的目的。”封伟说。
此外，很多高分子材料如橡胶、塑料、涂料、纤维等都是重要的工业材料，每年磨损消耗巨大，而让这些材料拥有自愈合的能力，就可以提高它们的使用寿命，从而产生巨大的经济和社会效益。
不仅如此，我们生活中的很多高分子材料如塑料、橡胶等在长时间使用后会破损，如果这些材料能够自愈合，那么它们就会有更长的使用寿命，有利于减少环境污染和资源浪费。
“不过目前这种智能变色液晶高分子薄膜还处于实验室研究阶段，没有实现工业化生产。”封伟介绍，这是因为在制备方法上现在还有很多技术不成熟，如何精确控制液晶单体分子自组装，实现大面积、均匀的、明亮的结构色，这些仍是目前面临的难点。
新买的包包可以随意变换颜色，不小心刮破的衣服能像皮肤一样愈合……这些似乎只在科幻电影里出现过的场景，如今已逐渐成为现实。
日前，天津大学封伟教授团队成功研发了一种新型智能材料——智能变色液晶高分子薄膜（以下简称薄膜）。这种新材料不仅能变色，还有形状记忆和自愈合功能。相关研究被选为封面文章刊发在国际期刊《德国应用化学》上。
通过液晶分子周期排列实现材料变色
在神奇的自然界中，许多生物经过亿万年的自然选择和进化，逐渐演变出自适应变色伪装能力，以便能随时躲避天敌。
比如变色龙就能够通过主动控制细胞层内部的纳米晶体排列结构，根据周围环境实现自身颜色的变化，达到与背景颜色匹配的目的。
研究发现，变色龙处于平静状态时，其细胞层内部的纳米晶体的排列是紧密的，可以特异性地反射短波长的可见光；而面临紧急情况时，变色龙就会通过机械力作用，主动控制晶体的疏密程度，使晶体的排列变得更加松散，选择性反射波长更长的光。
“这些生物体独特的表皮微纳光学结构及其自主动态变色的机制，为我们开发新型仿生智能变色材料提供了丰富的灵感。”天津大学材料学院高分子系教授封伟说。
近年来，国内外研究团队在仿生变色龙的智能变色材料方面取得了一系列重要进展。胆甾相液晶等手性液晶材料是一类具有周期性螺旋超结构的手性软光子晶体，不仅能选择性地反射不同波长的可见光，还能够灵敏地响应力、热、电、光、磁等环境刺激变化，呈现出结构色的动态变化。
封伟团队在此基础上，将动态共价键分子与液晶单体混合，通过溶剂挥发的方法使液晶单体分子自组装成周期排列的胆甾相液晶结构，最后通过光照聚合得到一种厚度只有200微米，具有拉伸变色、形状记忆功能和自愈合功能的液晶高分子薄膜。当前主流的变色材料主要由无机分子或者可变色的染料分子构成，通过有机高分子构筑的变色材料比较少见。
“根据布拉格反射公式，材料的反射波长与材料的微观结构排列周期是正相关的，光照到材料上时，只有特定波长的光能从材料中反射出来形成颜色，这种颜色俗称结构色。”封伟介绍，与染料的颜色不同，这种结构色会更加鲜艳、更加稳定。
薄膜内部的液晶分子是周期排列的。在拉伸薄膜时，材料内部液晶分子的排列周期会变短，因此会导致反射出来的颜色发生变化，这一变色机理与变色龙皮肤颜色的变化机理类似，薄膜的结构色可在可见光谱范围内进行动态调节。
引入动态共价键让薄膜有记忆能愈合
团队还将动态共价键分子引入液晶高分子中，使得薄膜具有形状记忆功能和自愈合功能。
“薄膜还拥有‘记忆编程’的特性，可以被拉伸成螺旋形、波形、圆柱形和更复杂的二维或三维形状并保持不变，当薄膜加热到相变温度以上后，又能恢复到最初的形状。”封伟解释说，这是因为加热激活了动态共价键发生键交换反应，使液晶高分子在网状结构内部形成新的拓扑结构。利用这种特性，他们通过反复将材料加热到100℃和冷却到25℃，让材料实现了在三维形状与二维形状之间以及不同颜色之间的可逆转换。
此外，因为在高分子网络中加入的动态共价键，遇到水分子后会发生断裂，水挥发后，动态共价键又会进行重组恢复初始状态，这样薄膜就拥有了自愈合的能力。
这种薄膜的自愈能力十分惊人，而且自愈后仍然非常结实。团队将薄膜切成两部分后，在损伤界面滴加水后，室温下放置24小时，分开的两部分会自动愈合，愈合后的薄膜被拉伸到原始长度的180%也不会断裂，并能承受自身1000倍的重量。
这项研究为制备兼具力致变色、形状可编程和高效自愈合等特性的液晶高分子材料提供了一种既简单又通用的方法，有望为开发仿生变色伪装材料、自适应光学系统和软体机器人等开辟新的方向。
媲美变色龙皮肤的“超级材料”用途广
经过几十年的研究与发展，智能变色材料的应用已经拓展到日常生活各个领域。比如，美国一家公司曾将热致变色性涂料用在陶瓷杯上，室温时陶瓷杯上的夜景，在倒入热水后会变换成日间景象，通过图案的变化就能知道杯子内水的冷热情况。
“具有结构色的材料已经在生活中有广泛应用。”封伟举例说，在轮胎边缘加入合适的变色高分子材料能制成智能轮胎，当外界温度或内部温度超过轮胎的正常使用温度时，智能轮胎会变色以示警告；变色高分子材料还可用于制作变色车窗玻璃、变色油漆，尤其是变色车窗是近十几年发达国家竞相研究的重要课题，目前，已有电致变色的调光玻璃应用的报道，而光致变色和热致变色的智能车窗玻璃还在进一步研制之中。
智能变色材料还可以做成能指示冷热的智能用品，例如将智能变色涂料镀膜在木材、金属、陶瓷等基材上，可做成能指示冷热用的变色茶杯和婴儿用的汤勺、奶瓶等。
另外，可变色的圆珠笔油、变色指甲油、变色儿童玩具、热敏体温计等产品都已经问世，这些产品极大地丰富了人们的生活。
防伪技术的研究历来就是一个受到普遍关注的课题，迄今为止，防伪领域所采用的方法多为激光防伪，使用设备昂贵，造价高。“而基于智能变色高分子材料的防伪方法具有操作简单、识别方便、成本低等特点，在技术保密性和防伪有效性等方面都有较大的优势。”封伟说。
目前，化学防伪标记一般直接印刷在商标、标签、封签或外包装上，因此制作化学防伪标记的关键是制备防伪印刷油墨，制备这种油墨的变色材料需要耐久性好、成本低，其变色发生的温度及变化的颜色要具有可选择性，因此智能变色材料也是化学防伪标记的首选材料。
将智能变色材料涂在织物上还可以做成变色服装，这种衣服穿在身上，会随着季节不同、地区不同、温度不同而呈现出不同的色彩。这种智能变色材料同样也可以用于桌布、窗帘等各种变色纺织品的生产。
“未来我们计划制备出仿变色龙皮肤的变色伪装材料，使材料的颜色能够与背景环境的颜色相匹配，实现变色伪装的目的。”封伟说。
此外，很多高分子材料如橡胶、塑料、涂料、纤维等都是重要的工业材料，每年磨损消耗巨大，而让这些材料拥有自愈合的能力，就可以提高它们的使用寿命，从而产生巨大的经济和社会效益。
不仅如此，我们生活中的很多高分子材料如塑料、橡胶等在长时间使用后会破损，如果这些材料能够自愈合，那么它们就会有更长的使用寿命，有利于减少环境污染和资源浪费。
“不过目前这种智能变色液晶高分子薄膜还处于实验室研究阶段，没有实现工业化生产。”封伟介绍，这是因为在制备方法上现在还有很多技术不成熟，如何精确控制液晶单体分子自组装，实现大面积、均匀的、明亮的结构色，这些仍是目前面临的难点。
#天津身边事# 网传“徐汇多地空气阳性，上海万体馆附近空气检测到阳性” 谣言！#关注新冠肺炎#
专家解释：空气分为室外开阔空气、室内密闭空气。室外开阔空气由于稀释非常厉害、空气是流通的，因此病毒阳性概率微乎其微。即便阳性者经过附近，短时可能存在，但病毒引发的气溶胶在室外空气中很快会分解、稀释、流通，几乎不具备传染性。所谓室外空气有毒，是谣言。事实上，有关部门没有在漕溪北路等地的室外进行过空气标本检测。#上海#
专家解释：空气分为室外开阔空气、室内密闭空气。室外开阔空气由于稀释非常厉害、空气是流通的，因此病毒阳性概率微乎其微。即便阳性者经过附近，短时可能存在，但病毒引发的气溶胶在室外空气中很快会分解、稀释、流通，几乎不具备传染性。所谓室外空气有毒，是谣言。事实上，有关部门没有在漕溪北路等地的室外进行过空气标本检测。#上海#
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