Исследователи из Кембриджского университета разработали искусственную «кожу хамелеона», которая меняет цвет при воздействии света. По словам ученых, подобное изобретение может применяться при камуфляже как активная маскировка и при разработке крупномасштабных динамических дисплеев.
Для создания уникального материала специалисты вдохновлялись способностью хамелеонов изменять свой цвет. В природе животные, такие как хамелеоны и каракатицы, могут менять цвет благодаря хроматофорам: клеткам кожи с сократительными волокнами, которые перемещают пигменты. Пигменты распределяются, чтобы показать их цвет, или сжимаются вместе, чтобы сделать клетку прозрачной.
Искусственные хроматофоры, разработанные кембриджскими исследователями, построены по тому же принципу, но вместо сократительных волокон их изменяющие цвет способности опираются на нано-механизмы, приводимые в действие светом, а «клетки» представляют собой микроскопические капли воды.
Хамелеоны особенно выделялись на фоне остальных животных благодаря своей необычной способности изменять окрас своего тела. Изучением природы столь интересного умения был весьма заинтересован древнеримский ученый Плиний, который считал, что именно окружение и фон каким-то неведомым образом оказывают влияние на цвет хамелеонов. В XVII веке ученые считали, что окрашивая свое тело в разные цвета, животное показывает уровень эмоциональной возбужденности и переживаний. Второй вариант оказался наиболее близким к истине. Так, с помощью окраски, хамелеоны общаются с себе подобными, причем наиболее яркий окрас в таком случае получается при встрече самцов друг с другом. Иными словами, раскрашивая свое тело всеми цветами радуги, хамелеоны показывают свое желание быть замеченными. Кроме того, цвет хамелеона часто меняется в зависимости от температуры окружающей среды или при изменении привычного животному уровня освещения и влажности.
Материал, разработанный исследователями из Кембриджа, состоит из крошечных частиц золота, покрытых полимерной оболочкой, а затем сжимаемых в микрокапельки воды в масле. При воздействии тепла или света частицы слипаются, изменяя цвет материала. Результаты данного исследования были опубликованы в журнале «Advanced Optical Materials».
Исследователи обращаются внимание на то, что наночастицы золота, покрытые оболочкой из поли (N-изопропилакриламида) (pNIPAM), подвергаются обратимой разборке ниже и выше критической температуры 32 ° C. Загрузка этих частиц в микрокапельки с высокой плотностью создает искусственные хроматофоры, управляемые светом. Запуск сборки наночастиц дает драматические изменения цвета от локализации наночастиц в основании капелек, напоминающие меланофоры рыбок данио. Эти обратимые состояния хроматофора могут переключаться как объемным, так и оптическим нагревом, что изучается в отдельных микрокаплях и на больших участках плотно упакованных капель. Освещение хроматофоров вне центра узконаправленным пучком приводит к движению капель через два отдельных механизма: сдвиг межфазного сдвига Марангони и движение пузырьков газа, в зависимости от оптической силы.
Рисунок 1. Наночастицы Au@pNIPAM ядро-оболочка (1014 мл-1) в микрокаплях вода-в-масле для искусственных хроматофоров. а) Оптическая микрофотография образования микрокапель хроматофора в микрофлюидном соединении с фокусировкой потока. б) Схематический температурный отклик микрокапель хроматофора. c) Изображения передачи оптической микроскопии агрегированного «горячего» состояния на разных фокусных высотах (объектив с высокой NA). Кластеры осадка на дне капель, масштабная линейка составляет 50 мкм.
Обратимый температурный оптический отклик микрокапельных хроматофоров. a) Изображения с микроскопа, полученные в режиме передачи в ярком поле (верхние изображения) и в режиме падающего освещения в темном поле (нижние изображения) при температурах ниже и выше критической температуры Tc = 32 ° C. Масштабная линейка составляет 200 мкм. b) Спектры экстинкции и рассеяния ниже и выше Tc, полученные из пятна 2 мкм в центре капель, показанные выделенными в правом верхнем углу вставки.
Когда материал нагревают выше 32 °С, наночастицы накапливают большое количество упругой энергии за доли секунды, поскольку полимерные покрытия выталкивают всю воду и разрушаются. Это приводит к тому, что наночастицы связываются в плотные кластеры. Когда материал охлаждается, полимеры поглощают воду и расширяются, и наночастицы золота сильно и быстро разрываются, как пружина.
«Загрузка наночастиц в микрокапельки позволяет нам контролировать форму и размер кластеров, давая нам резкие изменения цвета», — сказал доктор Эндрю Сэлмон из Кавендишской лаборатории Кембриджа, соавтор исследования.
Геометрия наночастиц, когда они связываются в кластеры, определяет, какой цвет они представляют: когда наночастицы разбросаны — они красные, а когда они объединяются — они становятся темно-синими. Однако капли воды также сжимают кластеры частиц, заставляя их затенять друг друга, и делать кластерное состояние почти прозрачным.
На данный момент материал, разработанный исследователями из Кембриджа, имеет только один слой, поэтому может меняться только на один цвет. Тем не менее, различные материалы и формы наночастиц могут использоваться в дополнительных слоях для создания полностью динамического материала, такого как настоящая кожа хамелеона.
Исследователи также заметили, что искусственные клетки могут «плавать» простыми способами, подобно водорослям Volvox. При освещении на одном краю капелек поверхность отслаивается к свету, толкая его вперед. При сильном освещении быстро образуются пузырьки высокого давления, которые толкают капельки вдоль поверхности.
«Эта работа является большим шагом вперед в использовании наноразмерных технологий для биомимикрии», — сказал соавтор Шон Кормиер. «Сейчас мы работаем над тем, чтобы повторить это на пленках с рулона на рулон, чтобы мы могли сделать метры изменяющих цвет листов. Используя структурированный свет, мы также планируем использовать плавание, запускаемое светом, для множества капель. Будет действительно интересно увидеть, какие коллективные поведения генерируются».
а) Снимки с камеры, показывающие переключение микрокапелевых хроматофор с большой площадью с температурой (Tc = 32 ° C) при различном освещении условия. б) Оптическая микрофотография микрокапельных хроматофоров с зеленой подсветкой.
Более подробная информация: Andrew R. Salmon, Sean Cormier, Wenting Wang, ChrisAbell, Jeremy J. Baumberg – статья «Подвижные искусственные хроматофоры: наночастицы, запускаемые светом, для передвижения микрокапель и изменения цвета», издание «Усовершенствованные оптические материалы» («Advanced Optical Materials» (2019). DOI: 10.1002 / adom.201900951
Источник: www.m.phys.org