Ingeniører genbruger det 19. århundredes fotografiteknik til at lave elastiske, farveskiftende film

Forestil dig at strække et stykke film for at afsløre et skjult budskab. Eller kontrollere et armbånds farve for at måle muskelmasse. Eller idræt en badedragt, der skifter nuance, mens du kører omgange. Sådanne kamæleon-lignende, farveskiftende materialer kunne være i horisonten, takket være en fotografisk teknik, der er blevet genoplivet og genbrugt af MIT-ingeniører.

Ved at anvende en farvefotograferingsteknik fra det 19. århundrede på moderne holografiske materialer, har et MIT-team printet billeder i stor målestok på elastiske materialer, der, når de strækkes, kan transformere deres farve og reflektere forskellige bølgelængder, når materialet belastes.

Forskerne producerede elastiske film trykt med detaljerede blomsterbuketter, der ændrer sig fra varme til køligere nuancer, når filmene strækkes. De trykte også film, der afslører aftryk af genstande såsom et jordbær, en mønt og et fingeraftryk.

Holdets resultater giver den første skalerbare fremstillingsteknik til fremstilling af detaljerede materialer i stor skala med "strukturel farve" - ​​farve, der opstår som en konsekvens af et materiales mikroskopiske struktur snarere end fra kemiske tilsætningsstoffer eller farvestoffer.

"Skalering af disse materialer er ikke trivielt, fordi du skal kontrollere disse strukturer på nanoskala," siger Benjamin Miller, en kandidatstuderende i MIT's Department of Mechanical Engineering. "Nu hvor vi har ryddet denne skaleringshindring, kan vi udforske spørgsmål som:Kan vi bruge dette materiale til at lave robothud, der har en menneskelignende følesans? Og kan vi skabe berøringsfølsomme enheder til ting som virtuel augmented reality eller medicinsk uddannelse? Det er et stort rum, vi kigger på nu."

Holdets resultater vises i dag i Naturmaterialer . Millers medforfattere er MIT bachelor Helen Liu og Mathias Kolle, lektor i maskinteknik ved MIT.

Hologramtilfælde

Kolles gruppe udvikler optiske materialer, der er inspireret af naturen. Forskerne har undersøgt de lysreflekterende egenskaber i bløddyrsskaller, sommerfuglevinger og andre iriserende organismer, som ser ud til at flimre og skifte farve på grund af mikroskopiske overfladestrukturer. Disse strukturer er vinklet og lagdelt for at reflektere lys som miniaturefarvede spejle, eller hvad ingeniører omtaler som Bragg-reflektorer.

Grupper, herunder Kolle's, har forsøgt at kopiere denne naturlige, strukturelle farve i materialer ved hjælp af en række forskellige teknikker. Nogle bestræbelser har produceret små prøver med præcise nanoskalastrukturer, mens andre har genereret større prøver, men med mindre optisk præcision.

Som teamet skriver, "forbliver en tilgang, der tilbyder både [mikroskalakontrol og skalerbarhed] uhåndgribelig, på trods af adskillige potentielle applikationer med stor effekt."

Mens han spekulerede over, hvordan denne udfordring skulle løses, besøgte Miller tilfældigvis MIT Museum, hvor en kurator talte ham gennem en udstilling om holografi, en teknik, der producerer tredimensionelle billeder ved at overlejre to lysstråler på et fysisk materiale.

"Jeg indså, at det, de laver i holografi, er lidt af det samme, som naturen gør med strukturelle farver," siger Miller.

Det besøg ansporede ham til at læse op om holografi og dens historie, som førte ham tilbage til slutningen af ​​1800-tallet, og Lippmann-fotografering - en tidlig farvefotografiteknik opfundet af den fransk-luxembourgske fysiker Gabriel Lippmann, som senere vandt Nobelprisen i fysik for teknik.

Lippmann genererede farvefotos ved først at sætte et spejl bag en meget tynd, gennemsigtig emulsion - et materiale, som han lavede af små lysfølsomme korn. Han udsatte opsætningen for en lysstråle, som spejlet reflekterede tilbage gennem emulsionen. Interferensen af ​​de indkommende og udgående lysbølger stimulerede emulsionens korn til at omkonfigurere deres position, ligesom mange små spejle, og reflektere mønsteret og bølgelængden af ​​det eksponerende lys.

Ved hjælp af denne teknik projicerede Lippmann strukturelt farvede billeder af blomster og andre scener på sine emulsioner, selvom processen var besværlig. It involved hand-crafting the emulsions and waiting for days for the material to be sufficiently exposed to light. Because of these limitations, the technique largely faded into history.

A modern twist

Miller wondered if, paired with modern, holographic materials, Lippmann photography could be sped up to produce large-scale, structurally colored materials. Like Lippmann's emulsions, current holographic materials consist of light-sensitive molecules that, when exposed to incoming photons, can cross-link to form colored mirrors.

"The chemistries of these modern holographic materials are now so responsive that it's possible to do this technique on a short timescale simply with a projector," Kolle notes.

In their new study, the team adhered elastic, transparent holographic film onto a reflective, mirror-like surface (in this case, a sheet of aluminum). The researchers then placed an off-the-shelf projector several feet from the film and projected images onto each sample, including Lippman-esque bouquets.

As they suspected, the films produced large, detailed images within several minutes, rather than days, vividly reproducing the colors in the original images.

They then peeled the film away from the mirror and stuck it to a black elastic silicone backing for support. They stretched the film and observed the colors change—a consequence of the material's structural color:When the material stretches and thins out, its nanoscale structures reconfigure to reflect slightly different wavelengths, for instance, changing from red to blue.

The team found the film's color is highly sensitive to strain. After producing an entirely red film, they adhered it to a silicone backing that varied in thickness. Where the backing was thinnest, the film remained red, whereas thicker sections strained the film, causing it to turn blue.

Similarly, they found that pressing various objects into samples of red film left detailed green imprints, caused by, say, the seeds of a strawberry and the wrinkles of a fingerprint.

Interestingly, they could also project hidden images, by tilting the film at an angle with respect to the incoming light when creating the colored mirrors. This tilt essentially caused the material's nanostructures to reflect a red-shifted spectrum of light. For instance, green light used during material exposure and development would lead to red light being reflected, and red light exposure would give structures that reflect infrared—a wavelength that is not visible to humans. When the material is stretched, this otherwise invisible image changes color to reveal itself in red.

"You could encode messages in this way," Kolle says.

Overall, the team's technique is the first to enable large-scale projection of detailed, structurally colored materials.

Indeed, Kolle notes that the new color-changing materials are easily integrated into textiles.

"Lippmann's materials wouldn't have allowed him to even produce a Speedo," he says. "Now we could make a full leotard."

Beyond fashion and textiles, the team is exploring applications such as color-changing bandages, for use in monitoring bandage pressure levels when treating conditions such as venous ulcers and certain lymphatic disorders. + Udforsk yderligere

Hvilken farve er et spejl? Forklaring af spejle og hvordan de virker.