Tänk om vattenånga i andan eller omgivande fingertopparna avslöjade osynliga mönster på kommersiella produkter - smartphones, bärbara datorer, dyr sprit - som verifierade produkternas äkthet och hjälpte till att motverka förfalskning.

Tänka, för, om snabbt, stabil, och reversibel färgväxling kan enkelt utvecklas i fasta ämnen, öppna lovande applikationer i färgskärmar, Skyltning, sensorer, och informationskryptering.

Ett team som leds av en kemist vid University of California, Riverside, har fört denna fantasi närmare verkligheten genom att för första gången tillverka "plasmoniska" färgbytbara filmer av silvernanopartiklar, eller AgNP. Tills nu, sådan färgförändring av nanopartiklar uppnåddes huvudsakligen i vätskor, begränsa deras potential för praktiska tillämpningar.

"Snabb och reversibel inställning av plasmonisk färg i fasta filmer, en utmaning tills nu, har stora löften för ett antal applikationer, "sa Yadong Yin, professor i kemi, som ledde forskargruppen. "Vårt nya arbete tar nanopartiklar av plasmonisk metall i spetsen för färgkonverterande applikationer."

Studieresultat visas i Angewandte Chemie International Edition . Forskningspapperet har utsetts till ett VIP -papper av tidskriften.

Plasmonik

Plasmoniska metallnanopartiklar, som guld och silver, har speciella optiska egenskaper eftersom de effektivt absorberar och sprider ljus vid särskilda våglängder. Deras färger kan ändras genom att ändra avståndet mellan deras individuella partiklar-en funktion som Yins forskargrupp utnyttjade för att utveckla sin plasmoniska färgbytande film.

Forskarna belagde ett glasunderlag med ett lager natriumborat, eller borax. Sedan sprayade de AgNP över boraxen för att bilda en film. Yin förklarade att varje AgNP har täckande ligander på sin yta som introducerar avstånd mellan AgNP:erna. Utan bufferten från liganderna, nanopartiklarna skulle klumpa ihop sig.

Lektion i kemi

I närvaro av vatten eller fukt, borax blir till borsyra och frigör hydroxyljoner. Dessa joner "deprotonerar" en kemisk grupp av liganderna, vilket resulterar i förlust av en proton och tillägg av en negativ laddning på AgNP:erna. Avstötningskrafter driver de negativt laddade nanopartiklarna bort från varandra. Nanopartiklarna, som är rosa, skaffa nya avstånd mellan partiklar, får dem att reflektera en annan färg:gul.

När fukten avlägsnas, borsyran omvandlas tillbaka till borax genom att fånga upp hydroxyljoner, initierar en protonering av ligandens kemiska grupp. Detta orsakar en minskning av ytladdningar på liganden, försvaga avstötningskrafterna mellan AgNP:erna och få dem att närma sig varandra och aggregera. Med interpartikelavstånd nu reducerade, färgen på AgNP -filmen växlar tillbaka från gult till rosa, visar full reversibilitet.

"Genom denna mekanism, vi kunde snabbt uppnå plasmonisk färgbyte av AgNP -filmen i närvaro eller frånvaro av fukt, "Sa Yin." I våra experiment, vi utsatte AgNP -filmen för fukt med 80% relativ luftfuktighet och fann att filmen ändrade färger från rosa till rött, orange, och slutligen gul. "

Med fingertopparna

Att använda den relativa fuktigheten runt mänskliga fingrar - så hög som 100% - Yins team fann att AgNP -filmer kan ändra färg som svar på närheten av en fingertopp.

"Detta möjliggör en bekväm, snabb, och beröringsfri metod som kan användas för informationskryptering och produktautentisering, "Yin sa." Olika högupplösta mönster kan effektivt krypteras i AgNP-filmerna genom en litografiprocess och sedan dekrypteras när de utsätts för fukt i människans andetag eller från fingertopparna. Andra förutsebara applikationer inkluderar säker kommunikation och kalorimetrisk realtidsmiljö eller hälsoövervakning. "

Yins team fann att de fuktkänsliga AgNP-filmerna visade reversibilitet och repeterbarhet vid plasmonisk färgväxling i mer än 1, 000 cykler.