En yta visar strukturella färger när ljuset reflekteras av små, vanliga strukturella element i ett transparent material. Forskare har nu utvecklat en metod för att göra strukturfärger av cellulosabaserade polymerer genom att använda belagda droppar som finns i en omgivande vätska-så kallade flytande marmor. Systemet reagerar lätt på miljöförändringar, vilket gör det intressant för applikationer i biobaserade sensorer och mjuka fotoniska element, enligt studien publicerad i tidskriften Angewandte Chemie .

Strukturella färger är ett sätt att färga ett material utan att använda ett färgämne. Istället, det transparenta materialet genererar färg genom det regelbundna arrangemanget av dess molekyler eller andra element, som sett, till exempel, i krusningarna i skalorna på färgglada fiskar och fjärilar, eller i nanokristaller arrangerade på vissa avstånd, som i den färgförändrande huden hos kameleoner.

Manos Anyfantakis och kollegor vid Luxemburgs universitet har identifierat ett sätt att kontrollera planen, avståndet till en hel spiralvridning i en polymer, som ett strukturelement på vilket reflektion kan förekomma och strukturella färger visas. Forskare kan förbereda flytande kristallina faser av biopolymerer med stigar som genererar strukturfärger - kallade kolesteriska faser - men dessa preparat beror på många parametrar och behöver lång tid för att nå jämvikt.

Nu, Anyfantakis och kollegor har upptäckt en snabbare och bättre kontrollerbar metod, använder flytande marmor som en plattform för kontrollerad självmontering av biopolymerbaserade strukturfärger. Flytande kulor är millimeterstora droppar flytande kristallina lösningar, som är belagda med nanopartiklar. Beläggningen skyddar vätskan från att blanda sig med den yttre vätskan, men möjliggör fortfarande lite interaktion, beroende på arten av båda vätskorna.

I detta fall, forskarna framställde flytande kulor från en vattenlösning av hydroxipropylcellulosa - en modifierad cellulosapolymer som orienterar sig i kolesteriska faser - belagd med kiseldioxid nanopartiklar. Dessa cellulosabaserade flytande kulor var först färglösa, men låter dem stanna en tid i en definierad volym av ett organiskt lösningsmedel som långsamt åstadkommer ljusa färger av rött, grön, och blå.

Färgerna var resultatet av en koncentrationsförändring i dropparna, författarna fick reda på. Det organiska lösningsmedlet extraherade långsamt vatten från de flytande marmorerna, vilket fick biopolymeren att anta en kristallform lämplig för strukturfärger. Långsamhet och kontrollerbarhet var avgörande, författarna påpekade, eftersom "detta ger tillräckligt med tid för polymermolekylerna att anpassa sig till koncentrationsförändringen, organisera med en ny jämviktstakt, "förklarade de.

Metoden är elegant och enkel, och färgerna beror bara på volymen av det organiska lösningsmedlet. Forskarna introducerade också yttre stimuli som värme, tryck, eller exponering för kemikalierna och observerade karakteristiska färgskiftningar, motsvarande en varierande tonhöjd. Dessa skift var reversibla:vid återanvändning av normala förhållanden, de flytande marmorerna återvände till sina ursprungliga färger, författarna observerade.

Författarna tror att de biopolymerbaserade flytande kulorna kan erbjuda en väg att syntetisera kostnadseffektiva, miljövänlig, och hållbara sensorer.