Stel je voor dat je een stuk film uitrekt om een ​​verborgen boodschap te onthullen. Of de kleur van een armband controleren om de spiermassa te meten. Of draag een zwempak dat van kleur verandert terwijl je baantjes trekt. Dergelijke kameleonachtige, kleurverschuivende materialen zouden aan de horizon kunnen verschijnen, dankzij een fotografische techniek die is herrezen en opnieuw is gebruikt door MIT-ingenieurs.

Door een 19e-eeuwse kleurenfotografietechniek toe te passen op moderne holografische materialen, heeft een MIT-team grootschalige afbeeldingen geprint op elastische materialen die, wanneer uitgerekt, hun kleur kunnen transformeren en verschillende golflengten kunnen reflecteren als het materiaal wordt belast.

De onderzoekers maakten rekbare films bedrukt met gedetailleerde bloemboeketten die van warme naar koelere tinten veranderen wanneer de films worden uitgerekt. Ze drukten ook films die de afdruk van objecten zoals een aardbei, een munt en een vingerafdruk onthullen.

De resultaten van het team bieden de eerste schaalbare productietechniek voor het produceren van gedetailleerde, grootschalige materialen met "structurele kleur" - kleur die ontstaat als gevolg van de microscopische structuur van een materiaal, in plaats van chemische additieven of kleurstoffen.

"Het schalen van deze materialen is niet triviaal, omdat je deze structuren op nanoschaal moet beheersen", zegt Benjamin Miller, een afgestudeerde student aan de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. "Nu we deze drempel hebben genomen, kunnen we vragen onderzoeken als:kunnen we dit materiaal gebruiken om een ​​robothuid te maken die een menselijke tastzin heeft? En kunnen we aanraakgevoelige apparaten maken voor zaken als virtual augmented reality of medische opleiding? Het is een grote ruimte waar we nu naar kijken."

De resultaten van het team verschijnen vandaag in Nature Materials . De co-auteurs van Miller zijn MIT-student Helen Liu en Mathias Kolle, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT.

Hologram toeval

De groep van Kolle ontwikkelt optische materialen die geïnspireerd zijn door de natuur. De onderzoekers hebben de lichtreflecterende eigenschappen bestudeerd in schelpen van weekdieren, vlindervleugels en andere iriserende organismen, die lijken te glinsteren en van kleur veranderen als gevolg van microscopische oppervlaktestructuren. Deze structuren zijn hoekig en gelaagd om licht te reflecteren als miniatuur gekleurde spiegels, of wat ingenieurs Bragg-reflectoren noemen.

Groepen, waaronder Kolle's, hebben geprobeerd deze natuurlijke, structurele kleur in materialen te repliceren met behulp van een verscheidenheid aan technieken. Sommige inspanningen hebben kleine monsters met nauwkeurige nanoschaalstructuren opgeleverd, terwijl andere grotere monsters hebben gegenereerd, maar met minder optische precisie.

Zoals het team schrijft:"een benadering die zowel [microschaalcontrole als schaalbaarheid] biedt, blijft ongrijpbaar, ondanks verschillende potentieel krachtige toepassingen."

Terwijl hij zich afvroeg hoe hij deze uitdaging moest oplossen, bezocht Miller toevallig het MIT Museum, waar een curator hem door een tentoonstelling over holografie vertelde, een techniek die driedimensionale beelden produceert door twee lichtstralen op een fysiek materiaal te plaatsen.

"Ik realiseerde me dat wat ze doen in holografie ongeveer hetzelfde is als wat de natuur doet met structurele kleuren", zegt Miller.

Dat bezoek spoorde hem aan om zich te verdiepen in holografie en de geschiedenis ervan, wat hem terugvoerde naar het einde van de 19e eeuw, en Lippmann-fotografie - een vroege kleurenfotografietechniek uitgevonden door de Frans-Luxemburgse natuurkundige Gabriel Lippmann, die later de Nobelprijs voor de natuurkunde won voor de techniek.

Lippmann maakte kleurenfoto's door eerst een spiegel achter een zeer dunne, transparante emulsie te plaatsen - een materiaal dat hij verzon uit kleine lichtgevoelige korrels. Hij stelde de opstelling bloot aan een lichtstraal, die de spiegel door de emulsie weerkaatste. De interferentie van de inkomende en uitgaande lichtgolven stimuleerde de korrels van de emulsie om hun positie te herconfigureren, zoals vele kleine spiegels, en het patroon en de golflengte van het belichtende licht te reflecteren.

Met behulp van deze techniek projecteerde Lippmann structureel gekleurde afbeeldingen van bloemen en andere scènes op zijn emulsies, hoewel het proces arbeidsintensief was. Het ging om het met de hand maken van de emulsies en het dagen wachten tot het materiaal voldoende aan licht werd blootgesteld. Because of these limitations, the technique largely faded into history.

A modern twist

Miller wondered if, paired with modern, holographic materials, Lippmann photography could be sped up to produce large-scale, structurally colored materials. Like Lippmann's emulsions, current holographic materials consist of light-sensitive molecules that, when exposed to incoming photons, can cross-link to form colored mirrors.

"The chemistries of these modern holographic materials are now so responsive that it's possible to do this technique on a short timescale simply with a projector," Kolle notes.

In their new study, the team adhered elastic, transparent holographic film onto a reflective, mirror-like surface (in this case, a sheet of aluminum). The researchers then placed an off-the-shelf projector several feet from the film and projected images onto each sample, including Lippman-esque bouquets.

As they suspected, the films produced large, detailed images within several minutes, rather than days, vividly reproducing the colors in the original images.

They then peeled the film away from the mirror and stuck it to a black elastic silicone backing for support. They stretched the film and observed the colors change—a consequence of the material's structural color:When the material stretches and thins out, its nanoscale structures reconfigure to reflect slightly different wavelengths, for instance, changing from red to blue.

The team found the film's color is highly sensitive to strain. After producing an entirely red film, they adhered it to a silicone backing that varied in thickness. Where the backing was thinnest, the film remained red, whereas thicker sections strained the film, causing it to turn blue.

Similarly, they found that pressing various objects into samples of red film left detailed green imprints, caused by, say, the seeds of a strawberry and the wrinkles of a fingerprint.

Interestingly, they could also project hidden images, by tilting the film at an angle with respect to the incoming light when creating the colored mirrors. This tilt essentially caused the material's nanostructures to reflect a red-shifted spectrum of light. For instance, green light used during material exposure and development would lead to red light being reflected, and red light exposure would give structures that reflect infrared—a wavelength that is not visible to humans. When the material is stretched, this otherwise invisible image changes color to reveal itself in red.

"You could encode messages in this way," Kolle says.

Overall, the team's technique is the first to enable large-scale projection of detailed, structurally colored materials.

Indeed, Kolle notes that the new color-changing materials are easily integrated into textiles.

"Lippmann's materials wouldn't have allowed him to even produce a Speedo," he says. "Now we could make a full leotard."

Beyond fashion and textiles, the team is exploring applications such as color-changing bandages, for use in monitoring bandage pressure levels when treating conditions such as venous ulcers and certain lymphatic disorders. + Verder verkennen

What color is a mirror? Explaining mirrors and how they work.