Forskarnas konstgjorda kromatoforer består av membran som sträcks över cirkulära håligheter fästa på pneumatiska pumpar. Genom att trycksätta kaviteten sträcker membranet, ändra stigningen för den helixformade flytande kristallen inuti. Korrelera förhållandet mellan diameter, tryck, tonhöjd och färg, forskarna kan behandla varje hålighet som en pixel, ändra sin färg för att matcha det omgivande mönstret i denna demonstration från deras senaste studie. Kredit:University of Pennsylvania
Djurriket är fullt av varelser med aktivt kamouflage. Det som ser ut som en dyster hög med sand och stenar kan faktiskt vara en färgglad bläckfisk, expanderande och sammandragande strukturer i huden för att avslöja nyanser av brunt och grått istället för levande blått och gult. Känd som kromatoforer, dessa celler kan expandera och dra tillbaka inre reflekterande plattor som svar på yttre stimuli, låta djuret matcha färgerna och mönstren i sin omgivning, och försvinner på ett ögonblick.
Nu, forskare vid University of Pennsylvanias School of Engineering and Applied Science hämtar inspiration från denna typ av aktivt kamouflage. Använda tunna, flexibla membran tillverkade av ett polymernätverk av flytande kristaller som är arrangerade i spiralformade former, dessa forskare har utvecklat en sorts artificiell kromatofor som kan ändra färger omedelbart - från nära-infrarött till synligt till ultraviolett - på kommando.
Dessa membran är placerade över små håligheter arrangerade i ett rutnät, var och en kan blåsas upp pneumatiskt till ett exakt tryck. När ett hålrum blåses upp, membranet sträcks ut, krymper dess tjocklek och ändrar dess synbara färg.
Kritiskt, dessa membran behöver inte sträckas mycket för att uppnå denna effekt. Använd en mängd tryck som motsvarar en försiktig beröring, deras färg kan ändras till vad som helst inom det synliga spektrumet. Färgförändrande material som använder liknande mekanismer har historiskt sett behövt deformeras med 75 procent för att växla från rött till blått, gör dem omöjliga att använda i inställningar med fasta mått, som skärmar eller fönster.
Eftersom forskarnas konstgjorda kromatoforer behöver mindre än 20 procent deformation för att uppnå samma effekt, de kan ordnas som pixlar i en LCD-skärm. Och eftersom de skiktade flytande kristallerna i forskarnas system har sin egen reflekterande färg, de behöver inte vara bakgrundsbelysta och behöver därför inte en konstant kraftkälla för att behålla sitt naturligt livfulla utseende.
Med varje artificiell kromatofor som fungerar som en pixel, forskarnas prototyp kan matcha den omgivande färgen och texturen för att uppnå en kamouflageeffekt. Kredit:University of Pennsylvania
Medan forskarnas prototypskärmar bara har några dussin pixlar var, en studie som visar principen bakom deras färgförändringsförmåga beskriver deras potential i en mängd olika kamouflagetekniker, såväl som applikationer inom arkitektur, robotik, sensorer och andra fält.
Studien, publiceras i tidskriften Naturmaterial , leddes av Shu Yang, Joseph Bordogna professor och ordförande för institutionen för materialvetenskap och teknik, och Se-Um Kim, sedan postdoktor i hennes labb. Yang-labbmedlemmar Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim och Haihuan Wang bidrog också till forskningen.
"Vårt labb har alltid varit intresserad av strukturell färg, inklusive hur man ändrar det genom att använda mekaniska krafter, " säger Yang. "T.ex. Vi har tidigare visat att en färgskiftande polymer kan signalera traumatiska hjärnskador hos soldater och idrottare. När man tittar på hur vissa djur har utvecklat sin strukturella färg, vi insåg att de hade stretchiga celler som fungerade som pixlar i en skärm och att vi potentiellt kunde ta ett liknande tillvägagångssätt."
Strukturell färg, fenomenet som ger fjärilsvingar och påfågelfjädrar en iriserande färg som ofta är ljusare än pigment eller färgämnesbaserade färger, produceras när ljus interagerar med mikroskopiska egenskaper hos en yta. När det gäller forskarnas visningar, dessa egenskaper återfinns i en klass av material som kallas "huvudkedjans kirala nematiska flytande kristallina elastomerer" eller MCLCE. Flytande kristaller är i sig anisotropa material, vilket betyder att deras egenskaper varierar beroende på deras riktningsorientering. Den spiralformade formen på MCLCE:er möjliggör stor och elastisk anisotropi, eftersom helixens stigning lätt kan ändras.
När ett hålrum i displayen blåses upp, dess MCLCE-membran är sträckt. Ungefär som att trycka ihop en fjäder, detta minskar stigningen för den flytande kristallspiralen i membranet, ändra våglängden på ljuset som reflekteras mot betraktaren.
Flera pixlar kan anslutas till samma luftpump, möjliggör mer komplexa skärmar. Kredit:University of Pennsylvania
Genom att rita ut det exakta trycket som krävs för att få varje artificiell kromatofor till en önskad färg, forskarna kunde programmera dem som pixlarna i en display. Denna nivå av kontroll är möjlig även utan separata pneumatiska pumpar för varje pixel.
"Jag ville generera rött, grön och blå färg samtidigt i en enkel operation, Kim säger, "så jag kopplade hålrum med olika bredd till samma luftkanal. Det betyder att, trots att man upplever samma press, graden av deformation och färgen varierar från pixel till pixel, minskar komplexiteten hos den övergripande enheten."
Använder bara två luftkanaler, forskarnas prototyp kan producera 7 x 5 rutmönster som matchar skuggningen och strukturen på en omgivande yta. Med sju kanaler, de kan återge siffror i stil med färgskärmarna med sju segment som finns i LCD-klockor
Forskarna tror att MCLCE:s unika mekanokromiska prestanda kommer att inspirera till skapandet av nya biomimetiska fotoniska enheter och sensorer som är mycket känsliga och komplexa trots materialets relativt enkla mekanism. De planerar också att ytterligare demonstrera 3D-skärmar, samt "smarta" fönster som reagerar på omgivande temperaturer genom att byta färg.
