En påfågels fjädrar är pigmenterade bruna men ett nätverk i nanoskala reflekterar ljus för att genomsyra fjädrarna med livfulla färger. Kredit:WikiCommons
En påfågels ljusa kricka och lysande blå fjädrar är inte resultatet av pigment utan snarare nätverk i nanoskala som reflekterar specifika våglängder av ljus. Denna så kallade strukturella färgning har länge intresserat forskare och ingenjörer på grund av dess hållbarhet och potential för användning i solpaneler, biomimetiska vävnader och adaptivt kamouflage. Men dagens tekniker för att integrera strukturell färg i material är tidskrävande och kostsamma.
Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbete med King Abdullah University of Science and Technology, har utvecklat en ny, mer robust och kostnadseffektivt system för att bygga storskaliga metamaterial med strukturell färg. Forskningen beskrivs i tidskriften Naturljus:Vetenskap och tillämpningar .
En påfågels fjäder eller fjärilsvinge förlitar sig på fotoniska kristaller eller högordnade arrayer av nanofibrer för att producera färger. Att reproducera dessa strukturer i ett labb kräver precision och dyr tillverkning. SEAS-forskare inspirerades av en helt annan sorts fjäder.
Contingas är en av de mest flamboyanta fågelfamiljerna på planeten. I ett hav av Amazonas grönt, deras fjädrar poppar med elektrisk blues, ljusa apelsiner och livfulla lila.
Till skillnad från en påfågels ordnade uppsättning av nanostrukturer, contingas får sina livfulla nyanser från ett oordnat och poröst nanonätverk av keratin som ser ut som en svamp eller en bit korall. När ljuset träffar fjädern, det porösa keratinmönstret gör att röda och gula våglängder tar ut varandra, medan blå våglängder av ljus förstärker varandra.
En plommonstrupig Continga (Cotinga maynana) får sina livfulla färger från ett nätverk av keratin i nanoskala. Kredit:Flickr
"Vanligtvis, vi associerar idén om oordning med föreställningen att något är okontrollerbart, sa Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik vid SEAS och senior författare till artikeln. "Här kan oordning ställas till vår fördel och användas som en designparameter för att skapa en ny klass av metamaterial med ett brett utbud av funktioner och tillämpningar"
Inspirerad av cotinga-fjädern, forskarna använde en enkel etsningsprocess för att skapa ett komplext men slumpmässigt poröst nanonätverk i en metallegering. Strukturen belades sedan med ett ultratunt transparent aluminiumoxidskikt.
Du kanske tänker, vilka typer av färger kan en metallegering producera förutom grått? Som det visar sig, massor. Ända sedan 1800-talets engelska vetenskapsman Michael Faraday, forskare har känt till att metaller innehåller en uppsjö av färger men ljuset tränger inte in tillräckligt djupt för att avslöja dem. En guldpartikel, till exempel, beroende på dess storlek och form, kan vara röd, rosa eller till och med blå.
En illustration av nanomaterialet med aluminiumoxidbeläggning, baserat på en tredimensionell (3D) rekonstruktion. Kredit:Henning Galinski
Den porösa nanostrukturen skapar lokala hotspots av olika färger i legeringen. Färgen som reflekteras av de lokala tillstånden beror på tjockleken på den transparenta beläggningen.
Utan aluminiumoxidöverdrag ser materialet mörkt ut. Med en beläggning 33 nanometer tjock, materialet reflekterar blått ljus. Vid 45 nanometer, materialet blir rött och med en beläggning 53 nanometer tjock, materialet är gult. Genom att ändra tjockleken på beläggningen, forskarna kunde skapa en gradient av färger.
"Denna situation motsvarar ett material med ett extremt stort antal mikroskopiska och färgglada ljuskällor, sa Andrea Fratalocchi, motsvarande författare till uppsatsen och professor i elektroteknik; Tillämpad matematik och beräkningsvetenskap vid King Abdullah University of Science and Technology. "Närvaron av ett tunt lager av oxid kan styra intensiteten av dessa källor, kollektivt slå på och av dem enligt oxidskiktets tjocklek. Denna forskning visar hur oordnade material kan förvandlas till en extremt kraftfull teknik, som kan möjliggöra storskaliga tillämpningar som skulle vara omöjliga med konventionella media."
En illustration av ljus-materia-interaktion med provet med olika tjocklek på aluminiumoxidbeläggningen. Kredit:Henning Galinski
Metaytan är extremt lätt och repsäker och kan användas i storskaliga kommersiella applikationer som lättviktsbeläggningar för fordonssektorn, biomimetiska vävnader och kamouflage
"Detta är ett helt nytt sätt att kontrollera optiska svar i metamaterial, sa Henning Galinski, medförsta författare till tidningen och tidigare postdoktor i Capasso-gruppen. "Vi har nu ett sätt att konstruera metamaterial i mycket små regioner, som tidigare var för små för konventionell litografi. Detta system banar väg för storskaliga och extremt robusta metamaterial som interagerar med ljus på riktigt intressanta sätt."
