Kunstigt farveskiftende materiale, der efterligner kamæleonhud, kan registrere frisk fisk og skaldyr

Forskere i Kina og Tyskland har designet et kunstigt farveskiftende materiale, der efterligner kamæleonhud, med luminogener (molekyler der får krystaller til at lyse) organiseret i forskellige kerne- og skalhydrogellag i stedet for en ensartet matrix. Fundene, offentliggjort 6. maj i tidsskriftet Cellerapporter Fysisk videnskab , demonstrere, at en to-luminogen hydrogel-kemosensor, der er udviklet med dette design, kan detektere friskhed af skaldyr ved at ændre farve som reaktion på amindampe, der frigives af mikrober som fiskebytte. Materialet kan også bruges til at fremme udviklingen af ​​strækbar elektronik, dynamiske camouflerende robotter, og forfalskningsteknologier.

"Dette nye kerneskal-layout kræver ikke et omhyggeligt valg af luminogenpar, det kræver heller ikke et detaljeret design og regulering af de komplekse fotofysiske interaktioner mellem forskellige luminogener, "siger Tao Chen, en professor ved Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering ved det kinesiske videnskabsakademi og en forfatter af undersøgelsen. "Disse fordele er vigtige for den fremtidige konstruktion af robuste flerfarvede materialesystemer med endnu ikke opnået ydeevne."

Mens forskere længe har forestillet sig at udvikle bløde materialer, der let kan svinge mellem en lang række fluorescerende farver, syntetiske materialer er sjældent i stand til at ændre nuance så kunstfærdigt som kamæleoner gør.

"De fleste kunstige farveændrende bløde materialer er blevet fremstillet ved samtidig at inkorporere to eller flere reagerende luminogener i en enkelt elastomer eller hydrogelmatrix, "siger Chen." På den anden side, organisationen af ​​forskellige iridoforer i to overlejrede kerneskalstrukturerede lag udgør en evolutionær nyhed for panter kamæleoner, der gør det muligt for deres skind at vise komplekse strukturelle farver. "

For at afgøre, om kunstige farveændrende materialer kunne være gennemsyret af kameleonhudens naturlige kerneskalstruktur, Wei Lu, en forsker ved Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering ved det kinesiske videnskabsakademi, og kolleger udviklede et multi-luminogen lagdelt brintsystem indefra og ud. Først, forskerne syntetiserede en rød fluorescerende kernehydrogel, som ville tjene som en skabelon for de andre lag. Denne kernehydrogel blev inkuberet i forskellige vandige Europium -opløsninger, hvorefter gelen blev inkuberet i en vækstopløsning indeholdende natriumalginat og reagerende blå/grønne fluorescerende polymerer. Spontan diffusion af Europium -ioner fra kernehydrogel til den omgivende opløsning udløste dannelsen af ​​blå og grønne hydrogellag.

På grund af den måde, hvorpå kerne- og skallagene i hydrogelerne overlappede, de kan skifte fra rød til blå eller grøn, når de udløses af ændringer i temperatur eller pH. Forfatterne bemærker også, at emissionsfarven på de blå og grønne fluorescerende lag kunne justeres, gør det muligt for materialet at vise farver fra næsten hele det synlige spektrum.

"Den foreslåede diffusionsinducerede grænsefladepolymerisering til fremstilling af kerneskallematerialer viser sig at være generel, "siger Chen." Det forventes derfor meget, at den foreslåede syntetiske strategi kan udvides til at producere andre bløde farveændrende materialer, såsom smarte hydrogeler eller elastomerer med stimuli-responsive strukturelle farver eller pigmentfarveændringer. "

For at teste evnen hos en kemosensor fremstillet af en to-luminogenhydrogel til at detektere frisk fisk og skaldyr, Lu og kolleger forseglede teststrimler fremstillet af materialet i kasser med friske rejer eller fisk i 50 timer. Teststrimlen, der er opbevaret med fisk og skaldyr ved mindre end -10 C, ændrede sig knap fra sin oprindelige røde fluorescerende farve, angiver, at maden stadig var frisk, mens teststrimlen opbevaret med fisk og skaldyr ved 30 C skiftede til en levende grøn nuance, angiver, at maden var forkælet.

Chen foreslår, at både de nye kerneskal-hydrogeler og den diffusionsinducerede grænsefladepolymeriseringsstrategi, der blev brugt til at gøre dem, kunne vise sig nyttige inden for en bred vifte af videnskabelige områder, herunder robotik.

"I den nærmeste fremtid, vi planlægger at bruge de udviklede kamæleon hudlignende kerneskal-hydrogeler til at forberede biomimetiske bløde camoufleringsskind, som kan bruges til at efterligne de forskellige farveændrende funktioner i levende organismers skind og til at hjælpe med at opnå ønskelig aktiv camouflage, display- og alarmfunktioner i robotter, "siger Chen.