受乌贼皮启发的屏幕只用磁铁就能显示加密图像

一段时间以来，科学家们一直在研究超材料，通过设计使材料具有自然界中通常找不到的特性，从而创造出隐形斗篷和透骨超声波等不同的东西。尤其是机械超材料，它能够通过材料与结构之间的相互作用实现可编程行为，从而实现超越其机械特性的高级功能。

研究人员正在探索在信息处理和计算中使用机械超材料的潜力。然而，它们的使用受到限制，因为它们依赖于折叠、弯曲和扣合的机制，很难小型化。现在，密歇根大学（U-M）的工程师们开发出了一种柔性显示屏，它利用磁场而不是电子设备来显示图像。它的灵感来自乌贼的皮肤。

"这是机械材料首次利用磁场进行系统级加密、信息处理和计算，"该研究的共同通讯作者、麻省理工大学化学工程教授约尔格-拉汉恩（Joerg Lahann）说。另一位通讯作者、材料科学与工程助理教授 Abdon Pena-Francesch 在下面的视频中解释了研究人员是如何开发这种屏幕的。

但鱿鱼是如何参与其中的呢？鱿鱼和其他头足类动物的表皮层都有嗜铬细胞，这些器官包含色素囊，在肌肉的控制下迅速膨胀和收缩。嗜铬细胞的集体作用使鱿鱼能够调整其皮肤颜色和图案，以适应其目的：伪装、捕食或交配。研究人员正是从嗜铬细胞的收缩和扩张中得到启发，并帮助他们确定了屏幕的分辨率。

"如果把珠子做得太小，颜色的变化就会变得太小而无法看到，"材料科学与工程专业博士生、本研究的第一作者张赞恩说。"乌贼的色素囊具有优化的尺寸和分布，可以提供高对比度，因此我们调整了设备的像素，使其与色素囊的尺寸相匹配。"

给研究人员带来灵感的乌贼皮色素囊 杰里米-利特尔/密歇根工程

这些"像素"实际上是一群磁活性 Janus 粒子（MAJP）。杰纳斯粒子是一种特殊的纳米粒子，其表面具有两种或两种以上不同的物理特性。在这里，研究人员创造了双室 MAJPs，一室由钕铁硼（NdFeB）铁磁性微颗粒和超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）组成，另一室由氧化钛（TiO2）颜料组成。

利用 MAJP 的开关机制，研究人员可以利用磁场将粒子群编程为多种状态。例如，他们可以定义两种状态--"开"和"关"--由MAJP的方向和它们共同显示的颜色决定：铁室向上为橙色；钛室向上为白色。这样，像素状的 MAJP 就会根据外加磁场的磁化方向（或极化方向）在橙色和白色之间翻转。对于用氧化铁磁性粒子制成的 MAJPs，极化可以在相对较弱的磁场中改变。然而，包含钕粒子的 MAJPs 的极化则需要强磁脉冲。

将屏幕放在一组不同强度和方向的磁铁上，可以选择性地改变屏幕某些部分的极化，在相同的磁场下，一些像素会变成白色，而另一些像素则会变成橙色。图像就是这样被编码的。

由于氧化铁纳米粒子可以利用相对较弱的磁场进行重新编程，因此可以通过第二个磁栅显示私人图像，有选择性地改写屏幕某些部分的翻转方式。当氧化铁粒子回到标准磁体时，它们会恢复到原来的极化状态，并显示公共图像。

一个公共图像可以包含多个私人图像，每个私人图像都有一个独特的解码密钥，通过编程，解码密钥只能与特定的编码密钥一起工作，从而增加了额外的安全性。

Pena-Francesch 说："这种设备可以编程，只有在提供正确的按键时才会显示特定信息。而且没有代码或电子设备需要黑客破解。这也可用于变色表面，例如伪装机器人。"

它让人联想起 Etch-A-Sketch（一种从20 世纪 50 年代末就开始流行的红框机械绘画玩具），晃动屏幕可以擦除显示内容。再次将其置于磁场中，图像就会恢复。

研究人员说，这种屏幕是为在光和电源不实用或不可取的情况下使用而设计的，例如在衣服、贴纸、ID 徽章、条形码和电子书阅读器上。

这项研究发表在《先进材料》杂志上。