(Phys.org) — De kleuren van de vleugels van een vlinder zijn ongewoon helder en mooi en zijn het resultaat van een ongewone eigenschap; de manier waarop ze licht reflecteren is fundamenteel anders dan hoe kleur meestal werkt.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania heeft een manier gevonden om dit soort 'structurele kleur' ​​te genereren die het extra voordeel heeft van een andere eigenschap van vlindervleugels:superhydrofobiciteit, of het vermogen om water sterk af te stoten.

Het onderzoek werd geleid door Shu Yang, universitair hoofddocent bij de afdeling Materials Science and Engineering aan Penn's School of Engineering and Applied Science, en omvatte andere leden van haar groep:Jie Li, Guanquan Liang en Xuelian Zhu.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

"De afgelopen 10 jaar is er veel onderzoek gedaan naar het creëren van structurele kleuren zoals die in de natuur voorkomen, in dingen als vlindervleugels en opalen, "zei Yang." Mensen zijn ook geïnteresseerd in het creëren van superhydrofobe oppervlakken die worden gevonden in dingen als lotusbladeren, en in vlindervleugels, te, omdat ze niet in de lucht konden blijven met regendruppels aan hen."

De twee eigenschappen - structurele kleur en superhydrofobiciteit - zijn verbonden door structuren. Structurele kleur is het resultaat van periodieke patronen, terwijl superhydrofobiciteit het resultaat is van oppervlakteruwheid

Wanneer licht het oppervlak van een periodiek rooster raakt, het is verspreid, gestoord of afgebogen op een golflengte vergelijkbaar met de roostergrootte, het produceren van een bijzonder heldere en intense kleur die veel sterker is dan kleur verkregen uit pigmenten of kleurstoffen.

Wanneer water op een hydrofoob oppervlak landt, de ruwheid vermindert het effectieve contactgebied tussen water en een vast gebied waar het kan hechten, wat resulteert in een toename van de watercontacthoek en de mobiliteit van waterdruppels op een dergelijk oppervlak.

Terwijl we deze eigenschappen proberen te combineren, ingenieurs moeten ingewikkelde, processen in meerdere stappen, de eerste die kleurgevende 3D-structuren maakte uit een polymeer, gevolgd door aanvullende stappen om ze op nanoschaal ruw te maken. Deze secundaire stappen, zoals assemblage van nanodeeltjes, of plasma-etsen, moet zeer zorgvuldig worden uitgevoerd om de optische eigenschap die wordt bepaald door het 3D-periodieke rooster dat in de eerste stap is gemaakt, niet te wijzigen.

De methode van Yang begint met een niet-conventionele fotolithografietechniek, holografische lithografie, waarbij een laser een verknoopt 3D-netwerk maakt van een materiaal dat fotoresist wordt genoemd. Het fotoresistmateriaal in de gebieden die niet aan het laserlicht worden blootgesteld, wordt later verwijderd met een oplosmiddel, waardoor de "gaten" in het 3D-raster achterblijven die voor structurele kleur zorgen.

In plaats van nanodeeltjes of plasma-etsen te gebruiken, Het team van Yang was in staat om de gewenste nano-ruwheid aan de structuren toe te voegen door simpelweg van oplosmiddel te wisselen na het wegwassen van de fotoresist. De truc was om een ​​slecht oplosmiddel te gebruiken; hoe beter een oplosmiddel is, hoe meer het probeert het contact met het materiaal te maximaliseren. Slechte oplosmiddelen hebben het tegenovergestelde effect, die het team aan het einde van de fotolithografische stap in zijn voordeel gebruikte.

"Het goede oplosmiddel zorgt ervoor dat de structuur opzwelt, " zei Yang. "Als het eenmaal gezwollen is, we hebben het arme oplosmiddel erin gedaan. Omdat het polymeer een hekel heeft aan het arme oplosmiddel, het kraakt en verschrompelt, vormen nanosferen binnen het 3D-rooster.

"We ontdekten dat hoe slechter het oplosmiddel dat we gebruikten, hoe ruwer we de structuren konden maken, ' zei Yang.

Er is veel vraag naar zowel superhydrofobiciteit als structurele kleur voor een verscheidenheid aan toepassingen. Materialen met structurele kleur kunnen worden gebruikt als op licht gebaseerde analogen van halfgeleiders, bijvoorbeeld, voor lichtgeleiding, laseren en voelen. Omdat ze vloeistoffen afstoten, superhydrofobe coatings zijn zelfreinigend en waterdicht. Aangezien optische apparaten sterk afhankelijk zijn van hun mate van lichttransmissie, de mogelijkheid om het oppervlak van het apparaat droog en schoon te houden, minimaliseert het energieverbruik en de negatieve impact op het milieu zonder het gebruik van intensief werk en chemicaliën. Yang heeft onlangs een beurs gekregen om dergelijke coatings voor zonnepanelen te ontwikkelen.

De onderzoekers hebben ideeën over hoe de twee eigenschappen gecombineerd kunnen worden in één applicatie, ook.

"Specifiek, we zijn geïnteresseerd in het aanbrengen van dit soort materiaal aan de buitenkant van gebouwen, " Yang zei. "De structurele kleur die we kunnen produceren is helder en zeer decoratief, en het zal niet vervagen zoals conventionele pigmentatiekleuren. De introductie van nano-ruwheid biedt extra voordelen, zoals energie-efficiëntie en milieuvriendelijkheid.

"Alleen al om de esthetiek kan het een hoogwaardige gevel zijn, naast de aantrekkingskracht van zijn zelfreinigende eigenschappen. We ontwikkelen ook energiezuinige gebouwhuiden die dergelijke materialen in optische sensoren zullen integreren."