Forskere finder en ny måde at efterligne farven og teksturen af ​​sommerfuglevinger

(Phys.org)—Farverne på en sommerfugls vinger er usædvanligt klare og smukke og er resultatet af et usædvanligt træk; den måde, de reflekterer lys på, er fundamentalt forskellig fra, hvordan farver fungerer det meste af tiden.

Et team af forskere ved University of Pennsylvania har fundet en måde at generere denne form for "strukturel farve", der har den ekstra fordel af et andet træk ved sommerfuglevinger:superhydrofobicitet, eller evnen til kraftigt at afvise vand.

Forskningen blev ledet af Shu Yang, lektor i Institut for Materialevidenskab og Teknik på Penn's School of Engineering and Applied Science, og inkluderede andre medlemmer af hendes gruppe:Jie Li, Guanquan Liang og Xuelian Zhu.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

"Meget forskning i løbet af de sidste 10 år er gået i forsøget på at skabe strukturelle farver som dem, der findes i naturen, i ting som sommerfuglevinger og opaler, " sagde Yang." Folk har også været interesseret i at skabe superhydrofobe overflader, som findes i ting som lotusblade, og i sommerfuglevinger, også, da de ikke kunne blive i luften med regndråber klyngende til dem."

De to kvaliteter - strukturel farve og superhydrofobicitet - er relateret af strukturer. Strukturel farve er resultatet af periodiske mønstre, mens superhydrofobicitet er resultatet af overfladeruhed

Når lys rammer overfladen af ​​et periodisk gitter, det er spredt, interfereret eller diffrakteret ved en bølgelængde, der kan sammenlignes med gitterstørrelsen, producerer en særlig lys og intens farve, der er meget stærkere end farve opnået fra pigmenter eller farvestoffer.

Når vand lander på en hydrofob overflade, dens ruhed reducerer det effektive kontaktområde mellem vand og et fast område, hvor det kan klæbe, hvilket resulterer i en forøgelse af vandkontaktvinklen og vanddråbemobiliteten på en sådan overflade.

Mens man prøver at kombinere disse egenskaber, ingeniører skal igennem komplicerede, flertrinsprocesser, først at skabe farvegivende 3D-strukturer ud af en polymer, efterfulgt af yderligere trin for at gøre dem ru i nanoskalaen. Disse sekundære trin, såsom samling af nanopartikler, eller plasmaætsning, skal udføres meget omhyggeligt for ikke at variere den optiske egenskab bestemt af det 3D periodiske gitter skabt i det første trin.

Yangs metode begynder med en ikke-konventionel fotolitografiteknik, holografisk litografi, hvor en laser skaber et tværbundet 3D-netværk ud fra et materiale kaldet en fotoresist. Fotoresistmaterialet i de områder, der ikke udsættes for laserlyset, fjernes senere med et opløsningsmiddel, efterlader "hullerne" i 3D-gitteret, der giver strukturel farve.

I stedet for at bruge nanopartikler eller plasmaætsning, Yangs team var i stand til at tilføje den ønskede nano-ruhed til strukturerne ved blot at skifte opløsningsmidler efter at have vasket fotoresisten væk. Tricket var at bruge et dårligt opløsningsmiddel; jo bedre et opløsningsmiddel er, jo mere det forsøger at maksimere kontakten med materialet. Dårlige opløsningsmidler har den modsatte effekt, som teamet brugte til sin fordel i slutningen af ​​fotolitografitrinet.

"Det gode opløsningsmiddel får strukturen til at svulme, " sagde Yang. "Når den er hævet, vi putter det dårlige opløsningsmiddel i. Fordi polymeren hader det dårlige opløsningsmiddel, det knaser ind og svinder, danner nanosfærer inden for 3D -gitteret.

"Vi fandt ud af, at jo dårligere opløsningsmiddel vi brugte, jo mere ru vi kunne gøre strukturerne, " sagde Yang.

Både superhydrofobicitet og strukturel farve er i høj efterspørgsel til en række forskellige anvendelser. Materialer med strukturel farve kan bruges som lysbaserede analoger af halvledere, for eksempel, til lysstyring, lasering og sansning. Når de afviser væsker, superhydrofobe belægninger er selvrensende og vandtætte. Da optiske enheder er meget afhængige af deres grad af lystransmission, evnen til at opretholde enhedens overflades tørhed og renhed vil minimere energiforbruget og den negative miljøpåvirkning uden brug af intensivt arbejde og kemikalier. Yang har for nylig modtaget et tilskud til at udvikle sådanne belægninger til solpaneler.

Forskerne har ideer til, hvordan de to egenskaber kan kombineres i én applikation, såvel.

"Specielt, vi er interesserede i at lægge denne slags materiale på ydersiden af ​​bygninger, " sagde Yang. "Den strukturelle farve, vi kan producere, er lys og meget dekorativ, og det forsvinder ikke, ligesom konventionelle pigmenteringsfarver dør. Indførelsen af ​​nano-ruhed vil give yderligere fordele, såsom energieffektivitet og miljøvenlighed.

"Det kunne være en high-end facade for æstetikken alene, ud over appellen af ​​dens selvrensende egenskaber. Vi udvikler også energieffektive bygningsskind, der vil integrere sådanne materialer i optiske sensorer."