Konstruere et polymernetværk til at fungere som aktiv camouflage efter behov

Dyreriget er fyldt med væsner med aktiv camouflage. Hvad der ligner en kedelig bunke sand og sten, kan faktisk være en farvestrålende blæksprutte, udvider og trækker sig sammen strukturer i deres hud for at afsløre nuancer af brun og grå i stedet for levende blå og gul. Kendt som kromatoforer, disse celler kan udvide og trække indre reflekterende plader tilbage som reaktion på eksterne stimuli, tillader dyret at matche farverne og mønstrene i deres omgivelser, og forsvinder på et øjeblik.

Nu, forskere ved University of Pennsylvania's School of Engineering and Applied Science henter inspiration fra denne form for aktiv camouflage. Brug tyndt, fleksible membraner fremstillet af et polymernetværk af flydende krystaller, der er arrangeret i spiralformede former, disse forskere har udviklet en slags kunstig kromatofor, der kan ændre farver øjeblikkeligt - fra nær-infrarød til synlig til ultraviolet - på kommando.

Disse membraner er placeret over små hulrum arrangeret i et gitter, hver af dem kan pustes op pneumatisk til et præcist tryk. Når et hulrum puster sig op, membranen strækkes, krymper dens tykkelse og skifter dens tilsyneladende farve.

Kritisk, disse membraner skal ikke strækkes meget for at opnå denne effekt. Ved at bruge et tryk svarende til en blid berøring, deres farve kan ændres til alt inden for det synlige spektrum. Farveskiftende materialer, der bruger lignende mekanismer, har historisk set været nødt til at blive deformeret med 75 procent for at skifte fra rød til blå, gør dem umulige at bruge i omgivelser med faste mål, såsom skærme eller vinduer.

Fordi forskernes kunstige kromatoforer behøver mindre end 20 procent deformation for at opnå samme effekt, de kan arrangeres som pixels i en LCD-skærm. Og fordi de lagdelte flydende krystaller i forskernes system har deres egen reflekterende farve, de behøver ikke have baggrundsbelysning og behøver derfor ikke en konstant strømkilde for at bevare deres iboende levende udseende.

Mens forskernes prototypeskærme kun har et par dusin pixels hver, en undersøgelse, der demonstrerer princippet bag deres farveændrende evne, skitserer deres potentiale i en række forskellige camouflage teknikker, samt applikationer inden for arkitektur, robotteknologi, sensorer og andre felter.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer , blev ledet af Shu Yang, Joseph Bordogna professor og formand for Institut for Materialevidenskab og Engineering, og Se-Um Kim, derefter en postdoc-forsker i hendes laboratorium. Andre Yang laboratoriemedlemmer Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim og Haihuan Wang bidrog også til forskningen.

"Vores laboratorium har altid været interesseret i strukturelle farver, herunder hvordan man ændrer det ved hjælp af mekaniske kræfter, " siger Yang. "F.eks. vi har tidligere vist, at en farveskiftende polymer kan signalere traumatiske hjerneskader hos soldater og atleter. Når man ser på, hvordan nogle dyr har udviklet sig strukturelle farver, vi indså, at de havde strækbare celler, der fungerede som pixels i en skærm, og at vi potentielt kunne tage en lignende tilgang."

Strukturel farve, fænomenet, der giver sommerfuglevinger og påfuglefjer en iriserende iris, der ofte er lysere end pigment- eller farvestofbaserede farver, dannes, når lys interagerer med mikroskopiske træk ved en overflade. I tilfælde af forskernes udstillinger, disse egenskaber findes i en klasse af materialer kendt som "hovedkæde chirale nematiske flydende krystallinske elastomerer" eller MCLCE'er. Flydende krystaller er iboende anisotrope materialer, hvilket betyder, at deres egenskaber varierer baseret på deres retningsorientering. Den spiralformede form af MCLCE'er giver mulighed for stor og elastisk anisotropi, da helixens tonehøjde let kan ændres.

Da et hulrum i displayet er oppustet, dens MCLCE-membran strækkes. Meget som at komprimere en fjeder, dette reducerer stigningen af ​​den flydende krystalspiral i membranen, ændring af bølgelængden af ​​lys, der reflekteres på beskueren.

Ved at plotte det nøjagtige tryk, der kræves for at få hver kunstig kromatofor til en ønsket farve, forskerne var i stand til at programmere dem som pixels i en skærm. Dette niveau af kontrol er muligt selv uden separate pneumatiske pumper for hver pixel.

"Jeg ønskede at generere rødt, grøn og blå farve samtidigt i en enkel operation, " siger Kim, "så jeg tilsluttede hulrum af forskellig bredde til den samme luftkanal. Det betyder, at trods det samme pres, graden af ​​deformation og farve varierer fra pixel til pixel, reducere kompleksiteten af ​​den samlede enhed."

Bruger kun to luftkanaler, forskernes prototype kan producere 7 gange 5 skakbrætmønstre, der matcher skyggen og teksturen af ​​en omgivende overflade. Med syv kanaler, de kan gengive cifre i stil med de syv-segment farveskærme, der findes i LCD-ure

Forskerne mener, at den unikke mekanokromiske ydelse af MCLCE'er vil inspirere til oprettelsen af ​​nye biomimetiske fotoniske enheder og sensorer, der er meget følsomme og komplekse på trods af materialets relativt enkle mekanisme. De planlægger også yderligere at demonstrere 3D-skærme, samt "smarte" vinduer, der reagerer på omgivende temperaturer ved at skifte farve.