Искусственная «кожа хамелеона», меняющая цвет с помощью наномеханизмов
Исследователи создали искусственную «кожу хамелеона», которая меняет цвет под воздействием света. Материал может найти применение в активном камуфляже и крупномасштабных динамических дисплеях.
Материал, разработанный учёными из Кембриджского университета, состоит из крошечных частиц золота, покрытых полимерной оболочкой, которые заключены в микрокапли воды в масле. При воздействии тепла или света частицы слипаются, изменяя цвет материала. Результаты опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.
В природе такие животные, как хамелеоны и каракатицы, меняют цвет благодаря хроматофорам — клеткам кожи с сократительными волокнами, которые перемещают пигменты. Пигменты либо распределяются, проявляя цвет, либо сжимаются, делая клетку прозрачной.
Искусственные хроматофоры кембриджских исследователей работают по тому же принципу, но их способность менять цвет обеспечивается не сократительными волокнами, а светоактивируемыми наномеханизмами, а «клетками» служат микроскопические капли воды.
При нагреве материала выше 32°C наночастицы за доли секунды накапливают большое количество упругой энергии, поскольку полимерные оболочки вытесняют всю воду и схлопываются. Это заставляет наночастицы связываться в плотные кластеры. При охлаждении полимеры поглощают воду и расширяются, а золотые наночастицы с силой и быстротой отталкиваются друг от друга, как пружина.
«Помещение наночастиц в микрокапли позволяет нам контролировать форму и размер кластеров, что даёт драматические изменения цвета», — говорит соавтор исследования доктор Эндрю Салмон из Кавендишской лаборатории.
Геометрия наночастиц при образовании кластеров определяет их видимый цвет: когда частицы разъединены, они красные, а когда сгруппированы — тёмно-синие. Однако капли воды также сжимают кластеры частиц, заставляя их затенять друг друга, что делает сгруппированное состояние почти прозрачным.
Пока созданный материал состоит из одного слоя и может менять цвет только на один. Однако использование различных материалов и форм наночастиц в дополнительных слоях позволит создать полностью динамичный материал, подобный настоящей коже хамелеона.
Исследователи также заметили, что искусственные клетки могут «плавать» простым способом, подобно водорослям Volvox. Освещение одного края капли заставляет её поверхность «отслаиваться» в сторону света, толкая её вперёд. При более сильном освещении образуются пузырьки высокого давления, которые кратковременно толкают капли по поверхности.
«Эта работа — большой шаг в использовании нанотехнологий для биомиметики, — говорит соавтор Шон Кормье. — Сейчас мы работаем над воспроизведением этого на рулонных плёнках, чтобы создавать метры цветных меняющихся листов. Используя структурированный свет, мы также планируем применять светоактивируемое плавание для "выпаса" капель. Будет очень интересно увидеть, какие коллективные поведения при этом возникнут».