Kamæleon inspirerer smart hud, der skifter farve i solen

En kamæleon kan ændre farven på sin hud, så den enten blander sig i baggrunden for at gemme sig eller skiller sig ud for at forsvare sit territorium og tiltrække en mage. Kamæleonen får dette trick til at se let ud, ved hjælp af fotoniske krystaller i huden. Videnskabsmænd, imidlertid, har kæmpet for at lave en fotonisk krystal "smart hud", der skifter farve som reaktion på miljøet, uden også at ændre størrelse.

Journalen ACS Nano udgiver forskning ledet af kemikere ved Emory University, der fandt en løsning på problemet. De udviklede en fleksibel smart hud, der reagerer på varme og sollys, samtidig med at den opretholder et næsten konstant volumen.

"At se en kamæleon skifte farve gav mig ideen til gennembruddet, " siger førsteforfatter Yixiao Dong, en ph.d. kandidat i Emorys Institut for Kemi. "Vi har udviklet et nyt koncept for en farveskiftende smart hud, baseret på observationer af, hvordan naturen gør det."

"Forskere inden for fotoniske krystaller har arbejdet i lang tid på at forsøge at skabe farveskiftende smarte skins til en række potentielle anvendelser, såsom camouflage, kemisk sensing og anti-forfalskning tags, " tilføjer Khalid Salaita, seniorforfatter af papiret og en Emory-professor i kemi. "Mens vores arbejde stadig er i de grundlæggende stadier, vi har etableret principperne for en ny tilgang til at udforske og bygge videre på."

Medforfattere til papiret omfatter Alisina Bazrafshan og Dale Combs (Emory Ph.D.-studerende); Kimberly Clarke (en Emory post-doc-stipendiat); og Anastassia Pokutta, Fatiesa Sulejmani og Wei Sun (fra Georgia Tech's Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering).

Udover kamæleoner, mange andre væsner har udviklet evnen til at skifte farve. Striberne på en neon tetra fisk, for eksempel, skifte fra dyb indigo til blågrøn, når de svømmer ind i sollys.

Farven i disse organismer er ikke baseret på pigmenter, men på små partikler i et gentaget mønster, kendt som fotoniske krystaller. Periodiciteten i disse partikler får materialet til at interferere med lysets bølgelængder. Selvom partiklerne selv er farveløse, den præcise afstand mellem dem tillader visse lysbølger at passere gennem dem, mens de afviser andre. De synlige farver, der produceres, ændrer sig afhængigt af faktorer som lysforhold eller forskydninger i afstanden mellem partiklerne. Iriseringen af ​​nogle sommerfuglevinger og fjerene fra påfugle er blandt mange andre eksempler på fotoniske krystaller i naturen.

Hvis du putter jordbær i en blender, Dong forklarer, den resulterende væske vil være rød, fordi farven på jordbærene kommer fra pigment. Hvis du kværner iriserende sommerfuglevinger, imidlertid, resultatet bliver et mat pulver, fordi regnbuens farver ikke var baseret på pigmenter, men på det, der er kendt som "strukturel farve." Strukturen af ​​de fotoniske krystalarrays ødelægges, når sommerfuglevingerne slibes op.

At efterligne kamæleoner og skabe en kunstig smart hud, forskere har eksperimenteret med at indlejre fotoniske krystalarrays i fleksible, vandholdige polymerer, eller hydrogeler. Udvidelse eller sammentrækning af hydrogelen ændrer afstanden mellem arrays, resulterer i en farveændring. Problemet, imidlertid, er, at den harmonika-lignende handling, der er nødvendig for at generere en synlig ændring i nuance, får hydrogelen til at vokse eller skrumpe betydeligt i størrelse, fører til strukturel ustabilitet og knækning af materialet.

"Ingen vil have en camouflagekappe, der krymper for at skifte farve, " bemærker Salaita.

Dong overvejede problemet, mens han så YouTube-videoer af en kamæleon. "Jeg ville forstå, hvorfor en kamæleon ikke bliver større eller mindre, når den skifter farve, men forbliver dens oprindelige størrelse, " han siger.

I nærbillede, tidsforløbne billeder af kamæleonen, der skifter nuancer, Dong bemærkede, at arrays af fotoniske krystaller ikke dækkede hele huden, men var spredt ud i en mørk matrix. Da de fotoniske krystaller skiftede til forskellige farver, disse farvepletter forblev i samme afstand fra hinanden. Dong antog, at hudcellerne, der udgør den mørke matrix, på en eller anden måde justerede for at kompensere for forskydningerne i de fotoniske krystaller.

"Jeg spekulerede på, om vi kunne designe noget lignende - en sammensat struktur af fotoniske krystalarrays indlejret i en belastnings-accommoderende matrix, " siger Dong.

Forskerne brugte magneter til at arrangere mønstre af fotoniske krystaller indeholdende jernoxid i en hydrogel. De indlejrede derefter disse arrays i et sekund, ikke-farveskiftende hydrogel. Sekundet, fjedrende hydrogel blev mekanisk tilpasset til den første hydrogel for at kompensere for skift i afstande mellem de fotoniske krystaller. Ved opvarmning, dette strain-accommodating smart skin (SASS) skifter farve, men bevarer en næsten konstant størrelse.

Dong testede også materialet i sollys, fremstilling af SASS-film i form af en fisk, som hyldest til neon tetra, samt i form af et blad. Når de udsættes for naturligt sollys i 10 minutter, SASS-filmene skiftede fra orange til grøn, uden at ændre størrelsen.

"Vi har givet en generel ramme til at guide det fremtidige design af kunstige smarte skins, " Dong siger. "Der er stadig lang vej til virkelige applikationer, men det er spændende at skubbe feltet endnu et skridt videre."