Genom att tillämpa en färgfotograferingsteknik från 1800-talet på moderna holografiska material, har ett MIT-team skrivit ut storskaliga bilder på elastiska material som när de sträcks kan omvandla sin färg och reflektera olika våglängder när materialet ansträngs. Kredit:Mathias Kolle et al
Föreställ dig att sträcka ut ett stycke film för att avslöja ett dolt budskap. Eller kontrollera ett armbands färg för att mäta muskelmassa. Eller sporta en baddräkt som ändrar nyans när du kör varv. Sådana kameleontliknande, färgskiftande material kan vara vid horisonten, tack vare en fotografisk teknik som har återuppstått och återuppstått av MIT-ingenjörer.
Genom att tillämpa en färgfotograferingsteknik från 1800-talet på moderna holografiska material har ett MIT-team skrivit ut storskaliga bilder på elastiska material som när de sträcks kan omvandla sin färg och reflektera olika våglängder när materialet ansträngs.
Forskarna producerade stretchiga filmer tryckta med detaljerade blombuketter som förvandlas från varma till kallare nyanser när filmerna sträcks. De tryckte också filmer som avslöjar avtrycket av föremål som en jordgubbe, ett mynt och ett fingeravtryck.
Teamets resultat ger den första skalbara tillverkningstekniken för att producera detaljerade, storskaliga material med "strukturell färg" - färg som uppstår som en konsekvens av ett material mikroskopiska struktur, snarare än från kemiska tillsatser eller färgämnen.
"Att skala dessa material är inte trivialt, eftersom du behöver kontrollera dessa strukturer i nanoskala", säger Benjamin Miller, doktorand vid MIT:s avdelning för maskinteknik. "Nu när vi har tagit bort det här skalningshindret kan vi utforska frågor som:Kan vi använda det här materialet för att göra robothud som har en mänsklig känsel? Och kan vi skapa beröringsavkännande enheter för saker som virtuell förstärkt verklighet eller medicinsk utbildning? Det är ett stort utrymme vi tittar på nu."
Teamets resultat visas idag i Naturmaterial . Millers medförfattare är MIT-studenten Helen Liu och Mathias Kolle, docent i maskinteknik vid MIT.
Hologramhändelse
Kolles grupp utvecklar optiska material som är inspirerade av naturen. Forskarna har studerat de ljusreflekterande egenskaperna hos blötdjursskal, fjärilsvingar och andra skimrande organismer, som verkar skimra och ändra sin färg på grund av mikroskopiska ytstrukturer. Dessa strukturer är vinklade och skiktade för att reflektera ljus som miniatyrfärgade speglar, eller vad ingenjörer kallar Bragg-reflektorer.
Grupper inklusive Kolle's har försökt replikera denna naturliga, strukturella färg i material med hjälp av en mängd olika tekniker. Vissa försök har producerat små prover med exakta strukturer i nanoskala, medan andra har genererat större prover, men med mindre optisk precision.
Som teamet skriver, "ett tillvägagångssätt som erbjuder både [mikroskalekontroll och skalbarhet] förblir svårfångat, trots flera potentiella tillämpningar med stor effekt."
Medan han funderade över hur han skulle lösa denna utmaning råkade Miller besöka MIT Museum, där en curator berättade för honom genom en utställning om holografi, en teknik som producerar tredimensionella bilder genom att lägga två ljusstrålar på ett fysiskt material.
"Jag insåg att vad de gör i holografi är ungefär samma sak som naturen gör med strukturella färger," säger Miller.
Det besöket sporrade honom att läsa om holografi och dess historia, vilket ledde honom tillbaka till slutet av 1800-talet, och Lippmann-fotografi – en tidig färgfotografiteknik som uppfanns av den fransk-luxemburgiska fysikern Gabriel Lippmann, som senare vann Nobelpriset i fysik för teknik.
Lippmann skapade färgfoton genom att först sätta en spegel bakom en mycket tunn, genomskinlig emulsion - ett material som han skapade av små ljuskänsliga korn. Han exponerade uppställningen för en ljusstråle, som spegeln reflekterade tillbaka genom emulsionen. Interferensen från de inkommande och utgående ljusvågorna stimulerade emulsionens korn att omkonfigurera sin position, som många små speglar, och reflektera mönstret och våglängden för det exponerande ljuset.
Using this technique, Lippmann projected structurally colored images of flowers and other scenes onto his emulsions, though the process was laborious. It involved hand-crafting the emulsions and waiting for days for the material to be sufficiently exposed to light. Because of these limitations, the technique largely faded into history.
An MIT team has provided the first scalable manufacturing technique for producing detailed, large-scale materials with “structural color” — color that arises as a consequence of a material's microscopic structure, rather than from chemical additives or dyes. Credit:Mathias Kolle et al
A modern twist
Miller wondered if, paired with modern, holographic materials, Lippmann photography could be sped up to produce large-scale, structurally colored materials. Like Lippmann's emulsions, current holographic materials consist of light-sensitive molecules that, when exposed to incoming photons, can cross-link to form colored mirrors.
"The chemistries of these modern holographic materials are now so responsive that it's possible to do this technique on a short timescale simply with a projector," Kolle notes.
In their new study, the team adhered elastic, transparent holographic film onto a reflective, mirror-like surface (in this case, a sheet of aluminum). The researchers then placed an off-the-shelf projector several feet from the film and projected images onto each sample, including Lippman-esque bouquets.
As they suspected, the films produced large, detailed images within several minutes, rather than days, vividly reproducing the colors in the original images.
They then peeled the film away from the mirror and stuck it to a black elastic silicone backing for support. They stretched the film and observed the colors change—a consequence of the material's structural color:When the material stretches and thins out, its nanoscale structures reconfigure to reflect slightly different wavelengths, for instance, changing from red to blue.
The team found the film's color is highly sensitive to strain. After producing an entirely red film, they adhered it to a silicone backing that varied in thickness. Where the backing was thinnest, the film remained red, whereas thicker sections strained the film, causing it to turn blue.
Similarly, they found that pressing various objects into samples of red film left detailed green imprints, caused by, say, the seeds of a strawberry and the wrinkles of a fingerprint.
Interestingly, they could also project hidden images, by tilting the film at an angle with respect to the incoming light when creating the colored mirrors. This tilt essentially caused the material's nanostructures to reflect a red-shifted spectrum of light. For instance, green light used during material exposure and development would lead to red light being reflected, and red light exposure would give structures that reflect infrared—a wavelength that is not visible to humans. When the material is stretched, this otherwise invisible image changes color to reveal itself in red.
"You could encode messages in this way," Kolle says.
Overall, the team's technique is the first to enable large-scale projection of detailed, structurally colored materials.
Indeed, Kolle notes that the new color-changing materials are easily integrated into textiles.
"Lippmann's materials wouldn't have allowed him to even produce a Speedo," he says. "Now we could make a full leotard."
Beyond fashion and textiles, the team is exploring applications such as color-changing bandages, for use in monitoring bandage pressure levels when treating conditions such as venous ulcers and certain lymphatic disorders. + Utforska vidare
