04/08/2022
Door Ad Spijkers
Techniek om rekbare, van kleur veranderende films te maken opent de deur naar onder meer aanraakgevoelige robots.
Onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (VS) hebben een schaalbare productietechniek ontwikkeld die materialen een 'structurele kleur' geeft. Die kleur ontstaat als gevolg van de microscopische structuur van een materiaal, in plaats van door chemische toevoegingen of kleurstoffen.
Door een 19e-eeuwse kleurenfotografietechniek toe te passen op moderne holografische materialen, heeft het team grootschalige afbeeldingen geprint op elastische materialen. Wanneer deze worden uitgerekt, kunnen hun kleuren transformeren en verschillende golflengten reflecteren als ze worden uitgerekt.
Rekbare films
De onderzoekers maakten rekbare films, bedrukt met gedetailleerde afbeeldingen die van warme naar koelere tinten veranderen wanneer de films worden uitgerekt. Ze drukten ook films die de afdruk van objecten zoals een aardbei, een munt en een vingerafdruk onthullen. De resultaten bieden en schaalbare productietechniek voor het produceren van gedetailleerde, grootschalige materialen met structurele kleur.
Het schalen van deze materialen is niet triviaal; dat is het beheersen van deze structuren op nanoschaal. Nu deze drempel is genomen, kunnen de wetenschappers vragen stellen als: is dit materiaal te gebruiken om een robothuid te maken met een menselijke tastzin? Kunnen ze aanraakgevoelige apparaten maken voor virtual augmented reality of medische training?
De onderzoekers ontwikkelen optische materialen die zijn geïnspireerd door de natuur. Zo hebben ze de lichtreflecterende eigenschappen bestudeerd in schelpen van weekdieren, maar ook vlindervleugels en andere iriserende organismen. Deze levende wezens lijken te glinsteren en van kleur veranderen als gevolg van microscopische oppervlaktestructuren. Deze structuren zijn hoekig en gelaagd om licht te reflecteren als miniatuur gekleurde spiegels (Bragg-reflectoren).
Verschillende onderzoekers hebben geprobeerd deze natuurlijke, structurele kleur in materialen te repliceren met behulp van verschillende technieken. Sommige inspanningen hebben kleine monsters met precieze nanoschaalstructuren opgeleverd, terwijl andere grotere monsters hebben gegenereerd, maar met minder optische precisie. Maar een benadering die zowel beheersing op microschaal als schaalbaarheid biedt, leek ongrijpbaar.
Holografie
In het MIT Museum maakten de onderzoekers kennis met holografie, een techniek die driedimensionale beelden produceert door twee lichtstralen op een fysiek materiaal te plaatsen. Dat bezoek spoorde de onderzoekers aan om zich te verdiepen in holografie en de geschiedenis ervan. Dat voerde terug naar het einde van de 19e eeuw: het Lippmann-proces, een vroege kleurenfotografietechniek.
In hun onderzoek plakten het team elastische, transparante holografische films op een reflecterend, spiegelachtig oppervlak (aluminiumplaat). Ze plaatsten vervolgens een projector op enkele meters van de film en projecteerden beelden op elk monster. De films produceerden binnen enkele minuten (in plaats van dagen bij Lippmann) grote, gedetailleerde beelden, waarbij de kleuren in de originele beelden levendig werden gereproduceerd.
Vervolgens pelden ze de film weg van de spiegel en plakten deze op een zwarte elastische siliconen achterkant voor ondersteuning. Ze rekten de film uit en zagen hoe de kleuren veranderen. Wanneer het materiaal uitrekt en dunner wordt, worden de structuren op nanoschaal opnieuw geconfigureerd om licht verschillende golflengten te reflecteren, bijvoorbeeld van rood naar blauw. De kleur van de film blijkt gevoelig voor spanning. Interessant is dat ze ook verborgen beelden konden projecteren door de film onder een hoek te kantelen ten opzichte van het invallende licht bij het maken van de gekleurde spiegels.
Toepassing
De onderzoekers hebben een eenvoudige maar effectieve manier hebben om fotonische structuren met een groot oppervlak te produceren. De techniek kan baanbrekend zijn voor verschilende toepassingen, coatings, verpakkingen, wearables en aanraakevoelige robots. Behalve voor mode en textiel onderzoekt het team toepassingen zoals kleurveranderende verbanden voor het bewaken van verbanddrukniveaus bij de behandeling van bepaalde aandoeningen aandoeningen.
Foto: MIT