Forskare har tagit inspiration från biomimiken av fjärilsvingar och påfågelfjädrar för att utveckla ett innovativt opalliknande material som kan vara hörnstenen i nästa generations smarta sensorer.

Ett internationellt team av forskare, ledd av universiteten i Surrey och Sussex, har utvecklat färgförändrande, flexibla fotoniska kristaller som kan användas för att utveckla sensorer som varnar när en jordbävning kan drabba nästa.

Den bärbara, robusta och billiga sensorer kan reagera känsligt på ljus, temperatur, stam eller andra fysiska och kemiska stimuli vilket gör dem till ett extremt lovande alternativ för kostnadseffektiva smarta visuella avkänningsapplikationer inom en rad olika sektorer, inklusive hälso- och livsmedelssäkerhet.

I en studie publicerad av tidskriften Avancerade funktionella material , forskare beskriver en metod för att producera fotoniska kristaller som innehåller en liten mängd grafen vilket resulterar i ett stort antal önskvärda kvaliteter med utgångar som direkt kan observeras med blotta ögat.

Intens grönt under naturligt ljus, de extremt mångsidiga sensorerna ändrar färg till blått vid sträckning eller blir genomskinliga efter uppvärmning.

Dr Izabela Jurewicz, Föreläsare i mjuk materiefysik vid University of Surreys fakultet för teknik och fysik, sade "Detta arbete ger den första experimentella demonstrationen av mekaniskt robust men ändå mjukt, fristående och flexibel, polymerbaserade opaler som innehåller lösnings-exfolierad orörd grafen. Medan dessa kristaller är vackra att titta på, Vi är också mycket glada över den enorma inverkan de kan ha på människors liv. "

Alan Dalton, Professor i experimentell fysik vid University of Sussex School of Mathematical and Physical Sciences, sade:"" Vår forskning här har tagit inspiration från de fantastiska biomimikförmågorna i fjärilsvingar, påfågelfjädrar och skalbaggar där färgen kommer från struktur och inte från pigment. Medan naturen har utvecklat dessa material under miljontals år kommer vi långsamt in på en mycket kortare period. "

Bland deras många potentiella applikationer finns:

• Tid-temperaturindikatorer (TTI) för intelligent förpackning-Sensorerna kan ge en visuell indikation om lättfördärvliga, såsom livsmedel eller läkemedel, har upplevt oönskade historier om tid och temperatur. Kristallerna är extremt känsliga för även en liten temperaturökning mellan 20 och 100 grader C.
• Fingertryckanalys-Deras tryckresponsiva formminnesegenskaper är attraktiva för biometriska och förfalskningsapplikationer. Genom att trycka på kristallerna med bara fingret kan fingeravtryck avslöjas med hög precision som visar väldefinierade åsar från huden.
• Bio-sensing — De fotoniska kristallerna kan användas som vävnadsställningar för att förstå mänsklig biologi och sjukdom. Om de fungerar med biomolekyler kan de fungera som mycket känsliga testanordningar för andningsvirus som erbjuder billiga, pålitlig, användarvänliga biosensorer.
• Bio/hälsoövervakning - Sensornas mekanokroma svar möjliggör användning som kroppssensorer som kan hjälpa till att förbättra tekniken hos sportspelare.
• Hälso- och sjukvårdssäkerhet - Forskare föreslår att sensorerna kan användas i ett armband som ändrar färg för att indikera för patienter om deras läkare har tvättat händerna innan de gick in i ett undersökningsrum.

Forskningen bygger på Materials Physics Groups (University of Sussex) expertis inom flytande bearbetning av tvådimensionella nanomaterial, Soft Matter Groups (University of Surrey) erfarenhet av polymerkolloider och kombinerar den med expertis vid Advanced Technology Institute i optisk modellering av komplexa material. Båda universiteten samarbetar med det Sussex-baserade företaget Advanced Materials Development (AMD) Ltd för att kommersialisera tekniken.

Joseph Keddie, Professor i mjuk materiefysik vid University of Surrey, sade:"Polymerpartiklar används för att tillverka vardagliga föremål som bläck och färger. I denna forskning, vi kunde finfördela grafen på avstånd som var jämförbara med våglängderna för synligt ljus och visade hur tillsats av små mängder av det tvådimensionella undermaterialet leder till nya möjligheter. "

John Lee, VD för Advanced Materials Development (AMD) Ltd, sade:"Med tanke på mångsidigheten hos dessa kristaller, denna metod representerar en enkel, billigt och skalbart tillvägagångssätt för att producera multifunktionella grafeninfunderade syntetiska opaler och öppnar spännande applikationer för nya nanomaterialbaserade fotonik. Vi är mycket glada över att kunna släppa ut den på marknaden inom en snar framtid. "