(Phys.org)—Färgarna på en fjärils vingar är ovanligt ljusa och vackra och är resultatet av en ovanlig egenskap; hur de reflekterar ljus skiljer sig fundamentalt från hur färg fungerar för det mesta.

Ett team av forskare vid University of Pennsylvania har hittat ett sätt att generera den här typen av "strukturfärg" som har den extra fördelen med en annan egenskap hos fjärilsvingar:superhydrofobicitet, eller förmågan att kraftigt stöta bort vatten.

Forskningen leddes av Shu Yang, docent vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science, och inkluderade andra medlemmar i hennes grupp:Jie Li, Guanquan Liang och Xuelian Zhu.

Deras forskning publicerades i tidskriften Avancerade funktionella material .

"Mycket forskning under de senaste 10 åren har gått till att försöka skapa strukturella färger som de som finns i naturen, i saker som fjärilsvingar och opaler, " sa Yang." Människor har också varit intresserade av att skapa superhydrofoba ytor som finns i saker som lotusblad, och i fjärilsvingar, för, eftersom de inte kunde hålla sig i luften med regndroppar som klamrade sig fast vid dem."

De två egenskaperna - strukturell färg och superhydrofobicitet - är relaterade av strukturer. Strukturell färg är resultatet av periodiska mönster, medan superhydrofobicitet är resultatet av ytjämnhet

När ljus träffar ytan på ett periodiskt gitter, det är utspritt, störd eller diffrakterad vid en våglängd som är jämförbar med gitterstorleken, ger en särskilt ljus och intensiv färg som är mycket starkare än färg som erhålls från pigment eller färgämnen.

När vatten landar på en hydrofob yta, dess grovhet minskar den effektiva kontaktytan mellan vatten och ett fast område där det kan fästa, vilket resulterar i en ökning av vattenkontaktvinkeln och vattendropparnas rörlighet på sådan yta.

När man försöker kombinera dessa egenskaper, ingenjörer måste gå igenom komplicerade, processer i flera steg, först med att skapa färggivande 3D-strukturer av en polymer, följt av ytterligare steg för att göra dem grova i nanoskala. Dessa sekundära steg, såsom nanopartikelmontering, eller plasmaetsning, måste utföras mycket noggrant för att inte variera den optiska egenskapen som bestäms av det periodiska 3D-gittret som skapades i det första steget.

Yangs metod börjar med en icke-konventionell fotolitografiteknik, holografisk litografi, där en laser skapar ett tvärbundet 3D-nätverk från ett material som kallas fotoresist. Fotoresistmaterialet i de områden som inte exponeras för laserljuset avlägsnas senare med ett lösningsmedel, lämnar "hålen" i 3D-gittret som ger strukturell färg.

Istället för att använda nanopartiklar eller plasmaetsning, Yangs team kunde lägga till den önskade nano-råheten till strukturerna genom att helt enkelt byta lösningsmedel efter att ha tvättat bort fotoresisten. Tricket var att använda ett dåligt lösningsmedel; ju bättre ett lösningsmedel är, desto mer försöker den att maximera kontakten med materialet. Dåliga lösningsmedel har motsatt effekt, vilket teamet använde till sin fördel i slutet av fotolitografisteget.

"Det goda lösningsmedlet får strukturen att svälla, " sa Yang. "När den har svullnat, vi lägger i det dåliga lösningsmedlet. Eftersom polymeren hatar det dåliga lösningsmedlet, det krassar in och krymper, bildar nanosfärer i 3D-gittret.

"Vi fann att ju sämre lösningsmedel vi använde, ju grovare vi kunde göra strukturerna, " sa Yang.

Både superhydrofobicitet och strukturell färg är efterfrågade för en mängd olika applikationer. Material med strukturell färg kan användas som ljusbaserade analoger av halvledare, till exempel, för ljus guidning, lasning och avkänning. När de stöter bort vätskor, superhydrofoba beläggningar är självrengörande och vattentäta. Eftersom optiska enheter är mycket beroende av deras grad av ljustransmission, förmågan att bibehålla enhetens yta torr och ren kommer att minimera energiförbrukningen och negativ miljöpåverkan utan att använda intensivt arbete och kemikalier. Yang har nyligen fått ett bidrag för att utveckla sådana beläggningar för solpaneler.

Forskarna har idéer om hur de två egenskaperna skulle kunna kombineras i en applikation, också.

"Specifikt, vi är intresserade av att placera den här typen av material på utsidan av byggnader, "Yang sa. "Den strukturella färgen vi kan producera är ljus och mycket dekorativ, och det kommer inte att blekna bort som konventionella pigmentfärger dör. Införandet av nano-råhet kommer att erbjuda ytterligare fördelar, som energieffektivitet och miljövänlighet.

"Det kan vara en högklassig fasad enbart för estetiken, utöver överklagandet av dess självrengörande egenskaper. Vi utvecklar också energieffektiva byggnadsskinn som kommer att integrera sådana material i optiska sensorer."