Wetenschap
Een bladvormig monster van de slimme huid, in het midden van het veranderen van geeloranje naar groen. Krediet:Emory University
Een kameleon kan de kleur van zijn huid veranderen, zodat hij opgaat in de achtergrond om zich te verbergen of opvalt om zijn territorium te verdedigen en een partner aan te trekken. De kameleon laat deze truc er gemakkelijk uitzien, met behulp van fotonische kristallen in zijn huid. wetenschappers, echter, hebben geworsteld om een fotonisch kristal "slimme huid" te maken die van kleur verandert als reactie op de omgeving, zonder ook in grootte te veranderen.
Het journaal ACS Nano publiceert onderzoek onder leiding van scheikundigen van Emory University die een oplossing voor het probleem hebben gevonden. Ze ontwikkelden een flexibele, slimme huid die reageert op warmte en zonlicht en tegelijkertijd een vrijwel constant volume behoudt.
"Toen ik een kameleon van kleur zag veranderen, kwam ik op het idee voor de doorbraak, " zegt eerste auteur Yixiao Dong, een doctoraat kandidaat in Emory's Department of Chemistry. "We hebben een nieuw concept ontwikkeld voor een van kleur veranderende slimme huid, gebaseerd op observaties van hoe de natuur het doet."
"Wetenschappers op het gebied van fotonische kristallen hebben lange tijd geprobeerd om kleurveranderende slimme skins te maken voor een reeks mogelijke toepassingen, zoals camouflage, chemische detectie en anti-namaaktags, " voegt Khalid Salaita toe, senior auteur van de paper en een Emory professor in de chemie. "Hoewel ons werk zich nog in de fundamentele stadia bevindt, we hebben de principes vastgesteld voor een nieuwe aanpak om te verkennen en op voort te bouwen."
Co-auteurs van het artikel zijn onder meer Alisina Bazrafshan en Dale Combs (Emory Ph.D.-studenten); Kimberly Clarke (een postdoctoraal onderzoeker van Emory); en Anastasia Pokutta, Fatiesa Sulejmani en Wei Sun (van Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering van Georgia Tech).
Naast kameleons, veel andere wezens hebben het vermogen ontwikkeld om van kleur te veranderen. De strepen op een neon tetra vis, bijvoorbeeld, veranderen van diep indigo naar blauwgroen wanneer ze in het zonlicht zwemmen.
De kleuring in deze organismen is niet gebaseerd op pigmenten, maar op kleine deeltjes in een herhalend patroon, bekend als fotonische kristallen. De periodiciteit in deze deeltjes zorgt ervoor dat het materiaal interfereert met golflengten van licht. Hoewel de deeltjes zelf kleurloos zijn, de precieze afstand ertussen zorgt ervoor dat bepaalde lichtgolven er doorheen gaan terwijl ze andere afwijzen. De geproduceerde zichtbare kleuren veranderen afhankelijk van factoren zoals lichtomstandigheden of verschuivingen in de afstand tussen de deeltjes. Het kleurenspel van sommige vlindervleugels en de veren van pauwen zijn enkele van de vele andere voorbeelden van fotonische kristallen in de natuur.
Als je aardbeien in een blender doet, Dong legt uit, de resulterende vloeistof zal rood zijn omdat de kleur van de aardbeien afkomstig is van pigment. Als je iriserende vlindervleugels vermaalt, echter, het resultaat zal een dof poeder zijn omdat de regenboogkleuren niet gebaseerd waren op pigmenten, maar op wat bekend staat als 'structurele kleur'. De structuur van de fotonische kristalarrays wordt vernietigd wanneer de vlindervleugels worden vermalen.
Hetzelfde monster van de slimme huid, nadat het is veranderd van geeloranje in groen. Voor deze labdemo werd warm water gebruikt om de verandering te stimuleren. Krediet:Emory University
Om kameleons na te bootsen en een kunstmatige slimme huid te creëren, wetenschappers hebben geëxperimenteerd met het inbedden van fotonische kristalarrays in flexibele, waterhoudende polymeren, of hydrogels. Het uitzetten of samentrekken van de hydrogel verandert de afstand tussen de arrays, wat resulteert in een kleurverandering. Het probleem, echter, is dat de accordeonachtige actie die nodig is om een zichtbare verandering in tint te genereren ervoor zorgt dat de hydrogel aanzienlijk groter of kleiner wordt, wat leidt tot structurele instabiliteit en knikken van het materiaal.
"Niemand wil een camouflagemantel die krimpt om van kleur te veranderen, ' merkt Salaita op.
Dong dacht na over het probleem terwijl hij YouTube-video's van een kameleon bekeek. "Ik wilde begrijpen waarom een kameleon niet groter of kleiner wordt als hij van kleur verandert, maar blijft zijn oorspronkelijke grootte, " hij zegt.
Van dichtbij, time-lapse beelden van de kameleon veranderende tinten, Dong merkte op dat de arrays van fotonische kristallen niet de hele huid bedekten, maar verspreid waren in een donkere matrix. Terwijl de fotonische kristallen verschillende kleuren kregen, deze kleurvlakken bleven op dezelfde afstand van elkaar. Dong veronderstelde dat de huidcellen waaruit de donkere matrix bestaat, zich op de een of andere manier hebben aangepast om de verschuivingen in de fotonische kristallen te compenseren.
Geïnspireerd door kameleonhuid, dit flexibele materiaal verandert van kleur als reactie op warmte en licht. Credit:Aangepast van ACS Nano 2019, DOI:10.1021/acsnano.9b04231
"Ik vroeg me af of we iets soortgelijks konden ontwerpen:een samengestelde structuur van fotonische kristalarrays ingebed in een spanning-opnemende matrix, ' zegt Dong.
De onderzoekers gebruikten magneten om patronen van fotonische kristallen met ijzeroxide in een hydrogel te rangschikken. Vervolgens hebben ze deze arrays ingebed in een tweede, niet-kleur veranderende hydrogel. De seconde, veerkrachtige hydrogel werd mechanisch aangepast aan de eerste hydrogel om verschuivingen in afstanden tussen de fotonische kristallen te compenseren. Bij verhitting, deze soort-accommoderende slimme huid (SASS) verandert van kleur maar behoudt een vrijwel constante grootte.
Dong testte het materiaal ook in zonlicht, het fabriceren van SASS-films in de vorm van een vis, als eerbetoon aan de neontetra, evenals in de vorm van een blad. Bij blootstelling aan natuurlijk zonlicht gedurende 10 minuten, de SASS-films verschoven van oranje naar groen, zonder in grootte te veranderen.
"We hebben een algemeen kader geboden om het toekomstige ontwerp van kunstmatige slimme skins te begeleiden, ", zegt Dong. "Er is nog een lange weg te gaan voor real-life toepassingen, maar het is spannend om het veld nog een stap verder te brengen."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com