Forskere udvikler justerbare farvede film til skærme og sensorer
Forskere ved Indian Institute of Science (IISc) har udviklet fleksible film, der udviser klare farver udelukkende i kraft af deres fysiske struktur, uden behov for noget pigment. Når filmene strækkes, udviser en farveændring som en reaktion på den mekaniske deformation.
For at designe disse film udtænkte holdet en ny omkostningseffektiv og skalerbar enkelttrinsteknik, der involverer fordampning af galliummetal for at danne partikler i nanostørrelse på et fleksibelt substrat. Deres metode tillader samtidig fremstilling af flere strukturelle farver, der reagerer på mekaniske stimuli.
Holdet har også vist, hvordan disse film kan bruges til en række forskellige applikationer, fra smarte bandager og bevægelsessensorer til reflekterende skærme.
"Dette er første gang, at et flydende metal som gallium er blevet brugt til fotonik," siger Tapajyoti Das Gupta, adjunkt ved Institut for Instrumentation og Anvendt Fysik (IAP), og den tilsvarende forfatter til undersøgelsen offentliggjort i Nature Nanoteknologi .
Nogle naturlige genstande som ædelstene, bløddyrskaller eller påfuglefjer er i sagens natur farverige. Deres farver udspringer af lysets interaktion med mikro- eller nanostrukturer arrangeret periodisk, såsom små silicakugler i opal, calciumcarbonat-baserede blodplader i bløddyrskaller og segmenterede bånd oven på cylindriske strukturer i påfuglefjer.
Naturinspirerede strukturelt farvede materialer har fundet bred anvendelse i skærme, bærbar elektronik, visuelle sensorer og anti-forfalskningsmærker. I de senere år har forskere forsøgt at designe materialer, der kan ændre farve som reaktion på en ekstern mekanisk stimulus.
IISc-holdet begyndte at eksperimentere med gallium, som ikke er blevet udforsket til sådanne applikationer, fordi dets høje overfladespænding hindrer dannelsen af nanopartikler. Gallium er et flydende metal ved stuetemperatur, og dets nanopartikler har vist sig at have stærke vekselvirkninger med elektromagnetisk stråling.
Processen udviklet af teamet opnår den bedrift at overvinde barrieren for overfladespænding for at skabe gallium-nanopartikler ved at bruge egenskaberne af et substrat kaldet polydimethylsiloxan (PDMS), en biokompatibel polymer.
Da underlaget blev strakt, bemærkede forskerne noget usædvanligt. Materialet begyndte at vise forskellige farver afhængigt af stammen. Forskerne teoretiserede, at rækken af aflejrede gallium-nanopartikler interagerer med lys på specifikke måder for at generere farverne.
For at forstå substratets rolle i farvegenerering udviklede teamet en matematisk model.
PDMS er en polymer fremstillet ved at blande to væskelignende komponenter - en oligomer og en tværbinder - som reagerer med hinanden for at danne en fast polymer. Forskerne fandt ud af, at den ureagerede del af oligomeren, som stadig er i flydende tilstand, spillede en afgørende rolle i at stabilisere dannelsen af galliumnanopartikler på substratet.
Når dette substrat derefter strækkes, siver de væskelignende oligomerer ind i hullerne mellem nanopartiklerne, hvilket ændrer hulstørrelsen og deres interaktion med lys, hvilket resulterer i den observerede ændring i farve. Eksperimenter udført i laboratoriet bekræftede modellens forudsigelser. Ved at justere forholdet mellem oligomerindholdet og tværbinderen opnåede forskerne en farveskala.
"Vi viser, at PDMS-substratet ikke kun holder strukturen, men også spiller en aktiv rolle i at bestemme strukturen af galliumnanopartikler og resulterende farvning," siger Renu Raman Sahu, Ph.D. studerende i IAP og hovedforfatter. Selv efter 80.000 strækcyklusser var materialet i stand til at vise en gentagelig farveændring, hvilket indikerer dets pålidelighed.
Konventionelle teknikker såsom litografi, der bruges til at fremstille sådanne materialer, involverer mange trin og er dyre at skalere op. For at omgå dette udtænkte holdet en enkelttrins fysisk dampaflejringsteknik til at fordampe det flydende galliummetal og afsætte det på PDMS-substratet. Dette gjorde det muligt for dem at fremstille fleksible, strukturelt farvede film, der måler omkring halvdelen af en håndflades størrelse.
Der er forskellige anvendelsesmuligheder for sådanne film. Holdet demonstrerede en sådan applikation:en kropsbevægelsessensor. En strimmel af filmen, når den blev fastgjort til fingeren, ændrede farve, når fingeren blev bøjet, hvilket hjalp med at mærke bevægelse i realtid.
Sahu siger:"I fremtiden kan disse materialer også bruges til energihøst."
Flere oplysninger: Renu Raman Sahu et al., Enkelttrinsfremstilling af flydende galliumnanopartikler via kapillærinteraktion for dynamiske strukturelle farver, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01625-1
Sahu RR, Das Gupta T, Fremstilling af mekanokrome gallium-nanostrukturer ved kapillære interaktioner, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01630-4
Leveret af Indian Institute of Science
Varme artikler
-
Graphene tilbyder røntgenfotoelektronspektroskopi et vindue af mulighederTegningen viser opsætningen for et røntgenfotoelektronspektroskopi-instrument, der indeholder suspenderet, elektrontransparente grafenmembraner-eller vinduer-der adskiller prøven fra højvakuumdetektio -
Carbon nanorør sensor array detekterer enkelte molekyler for første gangMichael Strano. Foto:Donna Coveney MIT kemiingeniører har bygget et sensorarray, der for første gang, kan detektere enkelte molekyler af brintoverilte, der udgår fra en enkelt levende celle. Hydr -
Team finder, at elektricitet kan genereres ved at trække saltvand over grafenIllustration af forsøgsopstillingen. En væskedråbe er klemt mellem grafen og en SiO2/Si-wafer, og trukket af waferen ved specifikke hastigheder. Indsat:en dråbe 0,6 M NaCl-opløsning på en grafenoverfl -
En holdbar nanomesh-sensor på huden til at overvåge hudens naturlige bevægelserFremstilling og karakterisering af PU-PDMS kerne-kappe nanomesh ledere. (A til C) Skematisk over fremstillingsprocessen. (D til F) Tilsvarende mikroskopiske billeder af (D) PU nanofiberarket, (E) PU-P
- Air France-KLM udnævner midlertidige ledere efter administrerende direktørers hurtige exit
- Sådan fungerer cementblandere
- Mysteriet om Basel -papyrus løst
- Seismisk undersøgelse afslører enorm mængde vand, der trækkes ind i Jordens indre
- Hvorfor fantastiske eventyr-gjærmyg-samfund kan være lige så komplekse som vores egne
- Hvordan cytoplasmatisk DNA gennemgår tilpasning for at undgå skadelige mutationer