Forskare vid Indian Institute of Science (IISc) har utvecklat flexibla filmer som uppvisar klara färger enbart på grund av sin fysiska struktur, utan behov av något pigment. När de sträcks uppvisar filmerna en färgförändring som ett svar på den mekaniska deformationen.
För att designa dessa filmer utarbetade teamet en ny kostnadseffektiv och skalbar enstegsteknik som involverar förångning av galliummetall för att bilda nanostora partiklar på ett flexibelt substrat. Deras metod tillåter samtidig tillverkning av flera strukturella färger som svarar på mekaniska stimuli.
Teamet har också visat hur dessa filmer kan användas för en mängd olika applikationer, från smarta bandage och rörelsesensorer till reflekterande displayer.
"Detta är första gången som en flytande metall som gallium har använts för fotonik", säger Tapajyoti Das Gupta, biträdande professor vid Institutionen för instrumentering och tillämpad fysik (IAP), och motsvarande författare till studien publicerad i Nature Nanoteknik .
Vissa naturliga föremål som ädelstenar, blötdjursskal eller påfågelfjädrar är i sig färgglada. Deras färger kommer från ljusets växelverkan med mikro- eller nanostrukturer arrangerade periodiskt, såsom små kiseldioxidsfärer i opal, kalciumkarbonatbaserade blodplättar i blötdjursskal och segmenterade band ovanpå cylindriska strukturer i påfågelfjädrar.
Naturinspirerade strukturfärgade material har hittat breda tillämpningar i skärmar, bärbar elektronik, visuella sensorer och etiketter mot förfalskning. Under de senaste åren har forskare försökt designa material som kan ändra färg som svar på en yttre mekanisk stimulans.
IISc-teamet började experimentera med gallium, som inte har undersökts för sådana applikationer eftersom dess höga ytspänning hindrar bildandet av nanopartiklar. Gallium är en flytande metall vid rumstemperatur och dess nanopartiklar har visat sig ha stark interaktion med elektromagnetisk strålning.
Processen som utvecklats av teamet uppnår bedriften att övervinna barriären för ytspänning för att skapa galliumnanopartiklar, genom att på ett smart sätt använda egenskaperna hos ett substrat som kallas polydimetylsiloxan (PDMS), en biokompatibel polymer.
När substratet sträcktes märkte forskarna något ovanligt. Materialet började visa olika färger beroende på stam. Forskarna teoretiserade att samlingen av deponerade galliumnanopartiklar interagerar med ljus på specifika sätt för att generera färgerna.
För att förstå substratets roll i färggenerering utvecklade teamet en matematisk modell.
PDMS är en polymer tillverkad genom att blanda två vätskeliknande komponenter - en oligomer och en tvärbindare - som reagerar med varandra för att bilda en fast polymer. Vad forskarna fann är att den oreagerade delen av oligomeren, som fortfarande är i flytande tillstånd, spelade en avgörande roll för att stabilisera bildandet av galliumnanopartiklar på substratet.
När detta substrat sedan sträcks, sipprar de vätskeliknande oligomererna in i mellanrummen mellan nanopartiklarna, vilket ändrar gapstorleken och deras interaktion med ljus, vilket resulterar i den observerade förändringen i färg. Experiment utförda i labbet bekräftade modellens förutsägelser. Genom att justera förhållandet mellan oligomerinnehållet och tvärbindaren fick forskarna en omfång av färger.
"Vi visar att PDMS-substratet inte bara håller strukturen, utan också spelar en aktiv roll för att bestämma strukturen av galliumnanopartiklar och resulterande färgning", säger Renu Raman Sahu, Ph.D. student i IAP och huvudförfattare. Även efter 80 000 cykler av sträckning kunde materialet visa en repeterbar färgförändring, vilket indikerar dess tillförlitlighet.
Konventionella tekniker såsom litografi som används för att tillverka sådana material innefattar många steg och är kostsamma att skala upp. För att kringgå detta utvecklade teamet en fysisk ångavsättningsteknik i ett steg för att avdunsta den flytande galliummetallen och deponera den på PDMS-substratet. Detta gjorde det möjligt för dem att tillverka flexibla, strukturellt färgade filmer som mäter ungefär hälften så stora som en palm.
Det finns olika tillämpningar möjliga för sådana filmer. Teamet visade en sådan applikation:en kroppsrörelsesensor. En remsa av filmen, när den fästes på fingret, ändrade färg när fingret böjdes, vilket hjälper till att känna av rörelse i realtid.
Sahu säger:"I framtiden kan dessa material också användas för energiskörd."
Mer information: Renu Raman Sahu et al, Enkelstegs tillverkning av flytande galliumnanopartiklar via kapillärinteraktion för dynamiska strukturella färger, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01625-1
Sahu RR, Das Gupta T, Tillverkning av mekanokroma galliumnanostrukturer genom kapillärinteraktioner, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01630-4
Tillhandahålls av Indian Institute of Science
