Wetenschap
Wetenschappers ontwikkelen afstembare gekleurde films voor displays en sensoren
Onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben flexibele films ontwikkeld die heldere kleuren vertonen puur vanwege hun fysieke structuur, zonder dat er pigment nodig is. Wanneer ze worden uitgerekt, vertonen de films een kleurverandering als reactie op de mechanische vervorming.
Om deze films te ontwerpen, heeft het team een nieuwe, kosteneffectieve en schaalbare eenstapstechniek bedacht waarbij galliummetaal wordt verdampt om deeltjes van nanogrootte op een flexibel substraat te vormen. Hun methode maakt de gelijktijdige vervaardiging van meerdere structurele kleuren mogelijk die reageren op mechanische stimuli.
Het team heeft ook laten zien hoe deze films voor uiteenlopende toepassingen kunnen worden gebruikt, van slimme verbandmiddelen en bewegingssensoren tot reflecterende displays.
"Dit is de eerste keer dat een vloeibaar metaal zoals gallium wordt gebruikt voor fotonica", zegt Tapajyoti Das Gupta, universitair docent bij de afdeling Instrumentatie en Toegepaste Natuurkunde (IAP), en corresponderend auteur van de studie gepubliceerd in Nature Nanotechnologie .
Sommige natuurlijke voorwerpen zoals edelstenen, schelpen van weekdieren of pauwenveren zijn van nature kleurrijk. Hun kleuren komen voort uit de interactie van licht met periodiek gerangschikte micro- of nanostructuren, zoals kleine silicabolletjes in opaal, op calciumcarbonaat gebaseerde bloedplaatjes in de schelpen van weekdieren en gesegmenteerde linten bovenop cilindrische structuren in pauwenveren.
Op de natuur geïnspireerde structureel gekleurde materialen hebben brede toepassingen gevonden in displays, draagbare elektronica, visuele sensoren en tags tegen namaak. De afgelopen jaren hebben wetenschappers geprobeerd materialen te ontwerpen die van kleur kunnen veranderen als reactie op een externe mechanische stimulus.
Het IISc-team begon te experimenteren met gallium, dat nog niet voor dergelijke toepassingen is onderzocht omdat de hoge oppervlaktespanning de vorming van nanodeeltjes belemmert. Gallium is bij kamertemperatuur een vloeibaar metaal en er is aangetoond dat de nanodeeltjes sterke interacties hebben met elektromagnetische straling.
Het door het team ontwikkelde proces bereikt de prestatie van het overwinnen van de barrière van oppervlaktespanning om gallium-nanodeeltjes te creëren, door op slimme wijze gebruik te maken van de eigenschappen van een substraat genaamd polydimethylsiloxaan (PDMS), een biocompatibel polymeer.
Toen het substraat werd uitgerekt, merkten de onderzoekers iets ongewoons op. Het materiaal begon verschillende kleuren te vertonen, afhankelijk van de soort. De onderzoekers theoretiseerden dat de reeks afgezette galliumnanodeeltjes op specifieke manieren met licht interageert om de kleuren te genereren.
Om de rol van het substraat bij het genereren van kleuren te begrijpen, heeft het team een wiskundig model ontwikkeld.
PDMS is een polymeer dat wordt gemaakt door twee vloeistofachtige componenten – een oligomeer en een crosslinker – te mengen, die met elkaar reageren om een vast polymeer te vormen. Wat de onderzoekers ontdekten is dat het niet-gereageerde deel van het oligomeer, dat zich nog steeds in vloeibare toestand bevindt, een cruciale rol speelde bij het stabiliseren van de vorming van galliumnanodeeltjes op het substraat.
Wanneer dit substraat vervolgens wordt uitgerekt, sijpelen de vloeistofachtige oligomeren in de gaten tussen de nanodeeltjes, waardoor de grootte van de opening en hun interactie met licht veranderen, wat resulteert in de waargenomen kleurverandering. Experimenten uitgevoerd in het laboratorium bevestigden de voorspellingen van het model. Door de verhouding tussen het oligomeergehalte en de crosslinker af te stemmen, verkregen de onderzoekers een kleurengamma.
"We laten zien dat het PDMS-substraat niet alleen de structuur vasthoudt, maar ook een actieve rol speelt bij het bepalen van de structuur van galliumnanodeeltjes en de daaruit voortvloeiende kleuring", zegt Renu Raman Sahu, Ph.D. student in IAP en hoofdauteur. Zelfs na 80.000 rekcycli kon het materiaal een herhaalbare kleurverandering vertonen, wat de betrouwbaarheid aantoont.
Conventionele technieken zoals lithografie die worden gebruikt om dergelijke materialen te vervaardigen, omvatten veel stappen en zijn kostbaar om op te schalen. Om dit te omzeilen, bedacht het team een fysieke dampafzettingstechniek in één stap om het vloeibare galliummetaal te verdampen en op het PDMS-substraat af te zetten. Hierdoor konden ze flexibele, structureel gekleurde films vervaardigen die ongeveer half zo groot waren als een handpalm.
Er zijn verschillende toepassingen mogelijk voor dergelijke films. Het team demonstreerde zo'n toepassing:een lichaamsbewegingssensor. Wanneer een strookje film aan de vinger werd bevestigd, veranderde hij van kleur wanneer de vinger werd gebogen, waardoor beweging in realtime kon worden waargenomen.
Sahu zegt:"In de toekomst kunnen deze materialen ook worden gebruikt voor toepassingen voor het oogsten van energie."