En kameleont kan ändra färgen på sin hud så att den antingen smälter in i bakgrunden för att gömma sig eller sticker ut för att försvara sitt territorium och attrahera en partner. Kameleonen får det här tricket att se enkelt ut, använder fotoniska kristaller i huden. Forskare, dock, har kämpat för att göra en fotonisk kristall "smart hud" som ändrar färg som svar på miljön, utan att också ändra storlek.

Journalen ACS Nano publicerar forskning ledd av kemister vid Emory University som hittade en lösning på problemet. De utvecklade en flexibel smart hud som reagerar på värme och solljus samtidigt som den håller en nästan konstant volym.

"Att se en kameleont ändra färg gav mig idén till genombrottet, " säger första författaren Yixiao Dong, en Ph.D. kandidat vid Emorys kemiska institution. "Vi har utvecklat ett nytt koncept för en färgskiftande smart hud, baserat på observationer av hur naturen gör det."

"Forskare inom fotoniska kristaller har arbetat länge med att försöka skapa färgförändrande smarta skal för en rad möjliga applikationer, som kamouflage, kemisk avkänning och anti-förfalskning taggar, "tillägger Khalid Salaita, senior författare till tidningen och en Emory-professor i kemi. "Medan vårt arbete fortfarande är i de grundläggande stadierna, Vi har fastställt principerna för ett nytt tillvägagångssätt att utforska och bygga vidare på. "

Medförfattare till uppsatsen inkluderar Alisina Bazrafshan och Dale Combs (Emory Ph.D.-studenter); Kimberly Clarke (en Emory post-doc-stipendiat); och Anastassia Pokutta, Fatiesa Sulejmani och Wei Sun (från Georgia Techs Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering).

Förutom kameleonter, många andra varelser har utvecklat förmågan att ändra färg. Ränderna på en neon tetra fisk, till exempel, förvandlas från djup indigo till blågrönt när de simmar in i solljus.

Färgen i dessa organismer är inte baserad på pigment, men på små partiklar i ett återkommande mönster, kända som fotoniska kristaller. Periodiciteten i dessa partiklar får materialet att störa ljusets våglängder. Även om partiklarna i sig är färglösa, det exakta avståndet mellan dem tillåter vissa ljusvågor att passera genom dem samtidigt som de avvisar andra. De synliga färgerna som produceras ändras beroende på faktorer som ljusförhållanden eller förändringar i avståndet mellan partiklarna. Iriserandet av några fjärilsvingar och fjädrarna på påfåglar är bland många andra exempel på fotoniska kristaller i naturen.

Om du lägger jordgubbar i en mixer, Dong förklarar, den resulterande vätskan blir röd eftersom färgen på jordgubbarna kommer från pigment. Om du slipar upp iriserande fjärilsvingar, dock, resultatet blir ett tråkigt pulver eftersom regnbågens färger inte var baserade på pigment, men på vad som kallas "strukturell färg". Strukturen hos de fotoniska kristallerna förstörs när fjärilsvingarna mals upp.

För att efterlikna kameleonter och skapa en artificiell smart hud, forskare har experimenterat med att bädda in fotoniska kristalluppsättningar i flexibla, vattenhaltiga polymerer, eller hydrogeler. Expandera eller dra ihop hydrogeln ändrar avståndet mellan matriserna, vilket resulterar i en färgförändring. Problemet, dock, är att den dragspelsliknande verkan som krävs för att generera en synlig förändring i nyans gör att hydrogelen växer eller krymper i storlek, vilket leder till strukturell instabilitet och böjning av materialet.

"Ingen vill ha en kamouflagekappa som krymper för att ändra färg, " konstaterar Salaita.

Dong funderade på problemet medan han tittade på YouTube -videor av en kameleont. "Jag ville förstå varför en kameleont inte blir större eller mindre när den ändrar färg, men förblir dess ursprungliga storlek, " han säger.

På nära håll, förflutna bilder av kameleonten som ändrar nyanser, Dong märkte att arrayerna av fotoniska kristaller inte täckte hela huden utan var utspridda inom en mörk matris. När de fotoniska kristallerna blev olika färger, dessa färgfläckar förblev på samma avstånd från varandra. Dong antog att hudcellerna som utgör den mörka matrisen på något sätt anpassade sig för att kompensera för skiftningarna i de fotoniska kristallerna.

"Jag undrade om vi kunde designa något liknande - en sammansatt struktur av fotoniska kristallmatriser inbäddade i en spänningsaccommoderande matris, " säger Dong.

Forskarna använde magneter för att ordna mönster av fotoniska kristaller som innehåller järnoxid i en hydrogel. De bäddade sedan in dessa arrayer i en sekund, icke-färgförändrande hydrogel. Den andra, fjädrande hydrogel matchades mekaniskt med den första hydrogeln för att kompensera för förändringar i avstånd mellan de fotoniska kristallerna. Vid uppvärmning, detta strain-accommodating smart skin (SASS) ändrar färg men bibehåller en nästan konstant storlek.

Dong testade också materialet i solljus, tillverka SASS-filmer i form av en fisk, som en hyllning till neon tetra, liksom i form av ett blad. När den utsätts för naturligt solljus i 10 minuter, SASS-filmerna skiftade från orange till grönt, utan att ändra storlek.

"Vi har tillhandahållit ett allmänt ramverk för att vägleda den framtida designen av artificiella smarta skinn, " Dong säger. "Det är fortfarande en lång väg att gå för verkliga tillämpningar, men det är spännande att driva fältet ytterligare ett steg. "