Het dierenrijk zit vol met wezens met actieve camouflage. Wat eruitziet als een grauwe hoop zand en rotsen, kan in werkelijkheid een felgekleurde inktvis zijn, uitzettende en samentrekkende structuren in hun huid om tinten bruin en grijs te onthullen in plaats van levendig blauw en geel. Bekend als chromatoforen, deze cellen kunnen interne reflecterende platen uitzetten en intrekken als reactie op externe stimuli, waardoor het dier zich kan aanpassen aan de kleuren en patronen van hun omgeving, en verdwijnen in een oogwenk.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania laten zich inspireren door dit soort actieve camouflage. Met behulp van dunne, flexibele membranen gemaakt van een polymeer netwerk van vloeibare kristallen die in spiraalvorm zijn gerangschikt, deze onderzoekers hebben een soort kunstmatige chromatofoor ontwikkeld die op commando onmiddellijk van kleur kan veranderen - van nabij-infrarood naar zichtbaar naar ultraviolet.

Deze membranen bevinden zich over kleine holtes die in een raster zijn gerangschikt, die elk pneumatisch kunnen worden opgeblazen tot een precieze druk. Naarmate een holte opblaast, het membraan wordt uitgerekt, de dikte krimpt en de schijnbare kleur verschuift.

Kritisch, deze membranen hoeven niet veel uitgerekt te worden om dit effect te bereiken. Gebruik een hoeveelheid druk die gelijk is aan een zachte aanraking, hun kleur kan worden veranderd in alles binnen het zichtbare spectrum. Van kleur veranderende materialen die vergelijkbare mechanismen gebruiken, moesten historisch gezien 75 procent worden vervormd om van rood naar blauw te veranderen. waardoor ze onmogelijk te gebruiken zijn in omgevingen met vaste afmetingen, zoals displays of vensters.

Omdat de kunstmatige chromatoforen van de onderzoekers minder dan 20 procent vervorming nodig hebben om hetzelfde effect te bereiken, ze kunnen worden gerangschikt als pixels in een LCD-monitor. En omdat de gelaagde vloeibare kristallen in het systeem van de onderzoekers hun eigen reflecterende kleur hebben, ze hebben geen achtergrondverlichting nodig en hebben dus geen constante stroombron nodig om hun intrinsiek levendige uiterlijk te behouden.

Terwijl de prototype-displays van de onderzoekers slechts enkele tientallen pixels per stuk hebben, een studie die het principe achter hun kleurveranderende vermogen aantoont, schetst hun potentieel in een verscheidenheid aan camouflagetechnieken, evenals toepassingen in de architectuur, robotica, sensoren en andere velden.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , werd geleid door Shu Yang, Joseph Bordogna Professor en voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering, en Se-Um Kim, daarna een postdoctoraal onderzoeker in haar lab. Collega Yang lab-leden Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim en Haihuan Wang droegen ook bij aan het onderzoek.

"Ons lab is altijd geïnteresseerd geweest in structurele kleur, inclusief hoe het te veranderen met behulp van mechanische krachten, " zegt Yang. "Bijvoorbeeld, we hebben eerder aangetoond dat een van kleur veranderend polymeer traumatisch hersenletsel bij soldaten en atleten kan signaleren. Als we kijken naar hoe sommige dieren structurele kleuren hebben ontwikkeld, we realiseerden ons dat ze rekbare cellen hadden die werkten als pixels in een scherm en dat we mogelijk een vergelijkbare aanpak konden volgen."

structurele kleur, het fenomeen dat vlindervleugels en pauwenveren irisatie geeft die vaak helderder is dan op pigment of kleurstof gebaseerde kleuren, wordt geproduceerd wanneer licht interageert met microscopische kenmerken van een oppervlak. In het geval van de displays van de onderzoekers, deze kenmerken worden gevonden in een klasse van materialen die bekend staat als "hoofdketen-chirale nematische vloeibaar-kristallijne elastomeren" of MCLCE's. Vloeibare kristallen zijn intrinsiek anisotrope materialen, wat betekent dat hun eigenschappen variëren op basis van hun directionele oriëntatie. De spiraalvorm van MCLCE's zorgt voor grote en elastische anisotropie, omdat de toonhoogte van de helix gemakkelijk kan worden gewijzigd.

Als een holte in het display wordt opgeblazen, het MCLCE-membraan is uitgerekt. Net als het samendrukken van een veer, dit vermindert de toonhoogte van de vloeibaar-kristalhelix in het membraan, het veranderen van de golflengte van het licht dat naar de kijker wordt gereflecteerd.

Door de exacte druk uit te zetten die nodig is om elke kunstmatige chromatofoor de gewenste kleur te geven, de onderzoekers konden ze programmeren zoals de pixels in een display. Dit niveau van controle is zelfs mogelijk zonder aparte pneumatische pompen voor elke pixel.

"Ik wilde rood maken, groene en blauwe kleur tegelijk in een eenvoudige handeling, "Kim zegt, "dus heb ik holtes van verschillende breedte aangesloten op hetzelfde luchtkanaal. Dit betekent dat, ondanks dezelfde druk, de mate van vervorming en de kleur varieert van pixel tot pixel, het verminderen van de complexiteit van het algehele apparaat."

Met slechts twee luchtkanalen, het prototype van de onderzoekers kan dambordpatronen van 7 bij 5 produceren die overeenkomen met de schaduw en textuur van een omringend oppervlak. Met zeven kanalen, ze kunnen cijfers weergeven in de stijl van de kleurendisplays met zeven segmenten die te vinden zijn in LCD-klokken

De onderzoekers zijn van mening dat de unieke mechanochrome prestaties van MCLCE's de creatie van nieuwe biomimetische fotonische apparaten en sensoren zullen inspireren die zeer gevoelig en complex zijn ondanks het relatief eenvoudige mechanisme van het materiaal. Ze zijn ook van plan om 3D-displays verder te demonstreren, evenals "slimme" ramen die reageren op omgevingstemperaturen door van kleur te veranderen.