Uordnet nanonetværk producerer robuste og levende farver til køretøjer, biomimetiske væv og camouflage

En påfugls lyse blågrønne og strålende blå fjer er ikke resultatet af pigmenter, men snarere nanoskala netværk, der afspejler bestemte lysbølgelængder. Denne såkaldte strukturelle farve har længe interesseret forskere og ingeniører på grund af dets holdbarhed og potentiale for anvendelse i solcelleanlæg, biomimetiske væv og adaptiv camouflage. Men nutidens teknikker til at integrere strukturel farve i materialer er tidskrævende og dyre.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbejde med King Abdullah University of Science and Technology, har udviklet en ny, mere robust og omkostningseffektivt system til at bygge store metamaterialer med strukturel farve. Forskningen er beskrevet i tidsskriftet Nature Light:Videnskab og applikationer .

En påfuglefjer eller sommerfuglvinge er afhængige af fotoniske krystaller eller stærkt bestilte arrays af nanofibre for at producere farver. At reproducere disse strukturer i et laboratorium kræver præcision og dyr fremstilling. SEAS -forskere blev inspireret af en helt anden slags fjer.

Contingas er en af ​​de mest flamboyante fuglefamilier på planeten. I et hav af Amazonas grønt, deres fjer springer med elektrisk blues, lyse appelsiner og pulserende lilla.

I modsætning til en påfugls bestilte række nanostrukturer, contingas får deres levende nuancer fra et uordentligt og porøst nanonetværk af keratin, der ligner en svamp eller et stykke koral. Når lyset rammer fjer, det porøse keratinmønster får røde og gule bølgelængder til at annullere hinanden, mens blå bølgelængder af lys forstærker hinanden.

"Som regel, vi forbinder ideen om uorden med forestillingen om, at noget er ukontrollabelt, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik ved SEAS og senior for forfatter af papiret. "Her kan uorden anvendes til vores fordel og bruges som et designparameter til at skabe en ny klasse af metamaterialer med en bred vifte af funktionaliteter og anvendelser"

Inspireret af cotinga fjer, forskerne brugte en simpel ætsningsproces til at skabe et komplekst, men tilfældigt porøst nanonetværk i en metallegering. Strukturen blev derefter overtrukket med et ultratyndt transparent aluminiumoxidlag.

Du tænker måske, hvilken slags farver kan en metallegering producere andet end grå? Det viser sig, masser. Lige siden 1800 -tallet havde den engelske videnskabsmand Michael Faraday, forskere har vidst, at metaller indeholder en overflod af farver, men lys trænger ikke dybt nok ind til at afsløre dem. En guldpartikel, for eksempel, afhængig af dens størrelse og form, kan være rød, lyserød eller endda blå.

Den porøse nanostruktur skaber lokaliserede hotspots i forskellige farver i legeringen. Farven, der reflekteres af de lokaliserede tilstande, afhænger af tykkelsen af ​​den transparente belægning.

Uden alumina -overlag ser materialet mørkt ud. Med en belægning på 33 nanometer tyk, materialet reflekterer blåt lys. Ved 45 nanometer, materialet bliver rødt og med en belægning på 53 nanometer tyk, materialet er gult. Ved at ændre tykkelsen af ​​belægningen, forskerne kunne skabe en farvegradient.

"Denne situation svarer til et materiale med et ekstremt stort antal mikroskopiske og farverige lyskilder, "sagde Andrea Fratalocchi, tilsvarende forfatter til papiret og professor i elektroteknik; Anvendt matematik og computervidenskab ved King Abdullah University of Science and Technology. "Tilstedeværelsen af ​​et tyndt lag oxid kan kontrollere intensiteten af ​​disse kilder, kollektivt tænde og slukke dem i henhold til tykkelsen af ​​oxidlaget. Denne forskning viser, hvordan uordnede materialer kan omdannes til en ekstremt kraftfuld teknologi, som kan muliggøre store applikationer, der ville være umulige med konventionelle medier. "

Metaoverfladen er ekstremt let og ridsefast og kan bruges i store kommercielle applikationer såsom lette belægninger til bilindustrien, biomimetiske væv og camouflage

"Dette er en helt ny måde at kontrollere optiske reaktioner i metamaterialer, "sagde Henning Galinski, medforfatter af papiret og tidligere postdoktor i Capasso-gruppen. "Vi har nu en måde at konstruere metamaterialer i meget små regioner, som tidligere var for små til konventionel litografi. Dette system baner vejen for store og ekstremt robuste metamaterialer, der interagerer med lys på virkelig interessante måder. "