Forskare i Kina och Tyskland har designat ett konstgjort färgförändrande material som efterliknar kameleonthud, med luminogener (molekyler som får kristaller att lysa) organiserade i olika kärn- och skalhydrogelskikt istället för en enhetlig matris. Resultaten, publicerad den 6 maj i tidningen Cellrapporter Fysikalisk vetenskap , visa att en tvåluminogen hydrogelkemosensor utvecklad med denna design kan upptäcka färskhet av skaldjur genom att ändra färg som svar på aminångor som släpps ut av mikrober som fiskbyten. Materialet kan också användas för att främja utvecklingen av töjbar elektronik, dynamiska kamoufleringsrobotar, och teknik mot förfalskning.

"Denna nya layout med kärnskal kräver inte ett noggrant val av luminogenpar, det kräver inte heller en genomarbetad design och reglering av de komplexa fotofysiska interaktionerna mellan olika luminogener, "säger Tao Chen, professor vid Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering vid Chinese Academy of Sciences och författare till studien. "Dessa fördelar är viktiga för den framtida konstruktionen av robusta flerfärgade materialsystem med ännu inte uppnått prestanda."

Medan forskare länge har tänkt sig att utveckla mjuka material som enkelt kan variera mellan ett brett spektrum av fluorescerande färger, syntetiska material kan sällan ändra färgton så konstigt som kameleoner gör.

"De flesta konstgjorda färgförändrande mjuka materialen har framställts genom att samtidigt införliva två eller flera mottagliga luminogener i en enda elastomer eller hydrogelmatris, "säger Chen." Å andra sidan, organisationen av olika iridoforer i två överlagrade kärnskalstrukturerade lager utgör en evolutionär nyhet för panterkameleoner som gör att deras skinn kan visa komplexa strukturfärger. "

För att avgöra om konstgjorda färgförändrande material kan vara genomsyrade av den naturliga kärnskalstrukturen hos kameleonthud, Wei Lu, en forskare vid Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering vid Chinese Academy of Sciences, och kollegor utvecklade ett väte system med flera luminogen lager inifrån och ut. Först, forskarna syntetiserade en röd fluorescerande kärnahydrogel, som skulle fungera som en mall för de andra lagren. Denna kärnhydrogel inkuberades i olika vattenhaltiga Europium -lösningar, varefter gelen inkuberades i en tillväxtlösning innehållande natriumalginat och reagerande blå/gröna fluorescerande polymerer. Spontan diffusion av Europium -joner från kärnhydrogeln till den omgivande lösningen utlöste bildandet av blå och gröna hydrogelskikt.

På grund av det sätt som kärn- och skallagren i hydrogelerna överlappade, de kan ändras från rött till blått eller grönt när de utlöses av temperatur- eller pH -förändringar. Författarna noterar också att utsläppsfärgen för de blå och gröna fluorescerande skikten kan justeras, gör att materialet kan visa färger från nästan hela det synliga spektrumet.

"Den föreslagna diffusionsinducerade gränssnittspolymeriseringen för att förbereda kärnmaterial visar sig vara allmän, "säger Chen." Det är därför mycket förväntat att den föreslagna syntetiska strategin kan utvidgas till att producera andra mjuka färgförändrande material, som smarta hydrogeler eller elastomerer med stimuli-responsiv strukturell färg eller pigmentfärgförändring. "

För att testa förmågan hos en kemosensor tillverkad av en två-luminogenhydrogel för att upptäcka färskhet av skaldjur, Lu och kollegor förseglade testremsor gjorda av materialet i lådor med färska räkor eller fisk i 50 timmar. Testremsan lagrad med skaldjur vid mindre än -10 C ändrades knappt från sin ursprungliga röda fluorescerande färg, som indikerar att maten fortfarande var färsk, medan testremsan förvarad med skaldjur vid 30 C skiftade till en levande grön nyans, indikerar att maten hade förstörts.

Chen föreslår att både de nya kärnskal-hydrogelerna och den diffusionsinducerade gränssnittspolymeriseringsstrategin som används för att göra dem kan visa sig vara användbara inom en mängd olika vetenskapliga områden, inklusive robotik.

"Inom en snar framtid, vi planerar att använda de utvecklade kameleonthudliknande kärnskalskalet för att förbereda biomimetiska mjuka kamoufleringsskinn, som kan användas för att efterlikna de olika färgförändrande funktionerna hos levande organismers skinn och för att uppnå önskvärd aktiv kamouflage, display- och larmfunktioner i robotar, säger Chen.