Ngụy trang chủ động bằng cách sử dụng mạng polyme gồm các tinh thể lỏng

Vương quốc động vật đầy rẫy những sinh vật có khả năng ngụy trang tích cực. Những gì trông giống như một đống cát và đá xám xịt thực sự có thể là một con mực có màu sắc rực rỡ, đang mở rộng và co lại các cấu trúc bên trong da của chúng để lộ ra các màu nâu và xám thay vì màu xanh và vàng rực rỡ. Được gọi là tế bào sắc tố, những tế bào này có thể mở rộng và thu lại các tấm phản xạ bên trong để phản ứng với các kích thích bên ngoài, cho phép động vật phù hợp với màu sắc và kiểu dáng của môi trường xung quanh và biến mất ngay lập tức.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Đại học Pennsylvania đang lấy cảm hứng từ loại ngụy trang tích cực này. Sử dụng các màng mỏng, linh hoạt được làm từ mạng lưới polyme gồm các tinh thể lỏng được sắp xếp theo hình xoắn ốc, các nhà nghiên cứu này đã phát triển một loại mang màu nhân tạo có thể thay đổi màu sắc ngay lập tức – từ hồng ngoại gần đến nhìn thấy được đến cực tím – theo lệnh.

Các màng này nằm trên các khoang nhỏ được sắp xếp theo dạng lưới, mỗi khoang có thể được bơm khí nén đến một áp suất chính xác. Khi một khoang phồng lên, màng sẽ bị kéo căng ra, thu nhỏ độ dày và chuyển màu rõ ràng.

Điều quan trọng là các màng này không cần phải kéo căng nhiều để đạt được hiệu quả này. Sử dụng một lượng áp lực tương đương với một cái chạm nhẹ, màu sắc của chúng có thể thay đổi thành bất kỳ thứ gì trong quang phổ nhìn thấy được. Vật liệu thay đổi màu sử dụng các cơ chế tương tự trước đây cần phải bị biến dạng 75% để chuyển từ màu đỏ sang màu xanh lam, khiến chúng không thể sử dụng trong các cài đặt có kích thước cố định, chẳng hạn như màn hình hoặc cửa sổ.

Vì các tế bào sắc tố nhân tạo của các nhà nghiên cứu cần ít hơn 20% độ biến dạng để đạt được hiệu ứng tương tự, chúng có thể được sắp xếp giống như các điểm ảnh trong màn hình LCD. Và bởi vì các tinh thể lỏng phân lớp trong hệ thống của các nhà nghiên cứu có màu phản chiếu riêng, chúng không cần ngược sáng và do đó không cần nguồn năng lượng liên tục để duy trì vẻ ngoài rực rỡ về bản chất của chúng.

Trong khi màn hình nguyên mẫu của các nhà nghiên cứu chỉ có vài chục pixel mỗi màn hình, một nghiên cứu chứng minh nguyên lý đằng sau khả năng thay đổi màu sắc của chúng đã chỉ ra tiềm năng của chúng trong nhiều kỹ thuật ngụy trang, cũng như các ứng dụng trong kiến trúc, robot, cảm biến và các lĩnh vực khác.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials , do Shu Yang, Giáo sư Joseph Bordogna và Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật và Khoa học Vật liệu, và Se-Um Kim, sau đó là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của cô thực hiện. Các thành viên phòng thí nghiệm Yang là Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim và Haihuan Wang cũng đóng góp vào nghiên cứu.

Yang nói: “Phòng thí nghiệm của chúng tôi luôn quan tâm đến màu sắc của cấu trúc, bao gồm cả cách thay đổi nó bằng cách sử dụng các lực cơ học. “Ví dụ, trước đây chúng tôi đã chứng minh rằng một loại polymer thay đổi màu sắc có thể báo hiệu chấn thương sọ não ở binh lính và vận động viên. Khi xem xét cách một số loài động vật tiến hóa về màu sắc cấu trúc, chúng tôi nhận ra rằng chúng có các tế bào co giãn hoạt động giống như các pixel trên màn hình và chúng tôi có khả năng thực hiện một cách tiếp cận tương tự ”.

Màu cấu trúc, hiện tượng làm cho cánh bướm và lông công óng ánh, thường sáng hơn màu sắc tố hoặc màu dựa trên thuốc nhuộm, được tạo ra khi ánh sáng tương tác với các đặc điểm vi mô của bề mặt. Trong trường hợp hiển thị của các nhà nghiên cứu, những đặc điểm đó được tìm thấy trong một loại vật liệu được gọi là “chất đàn hồi tinh thể lỏng nematic chuỗi chính” hoặc MCLCE. Tinh thể lỏng về bản chất là vật liệu dị hướng, có nghĩa là các tính chất của chúng thay đổi dựa trên sự định hướng của chúng. Hình dạng xoắn của MCLCE cho phép tạo ra tính dị hướng lớn và đàn hồi, vì bước của đường xoắn có thể dễ dàng thay đổi.

Khi một khoang trong màn hình được bơm căng, màng MCLCE của nó sẽ bị kéo căng. Giống như nén một lò xo, điều này làm giảm độ cao của xoắn tinh thể lỏng bên trong màng, thay đổi bước sóng ánh sáng phản xạ vào người xem.

Bằng cách vẽ ra áp suất chính xác cần thiết để mỗi mang màu nhân tạo có màu sắc mong muốn, các nhà nghiên cứu có thể lập trình chúng giống như các pixel trên màn hình. Mức độ kiểm soát này có thể thực hiện được ngay cả khi không có máy bơm khí nén riêng biệt cho từng pixel.

“Tôi muốn tạo ra màu đỏ, xanh lục và xanh lam đồng thời trong một thao tác đơn giản,” Kim nói, “vì vậy tôi đã kết nối các khoang có chiều rộng khác nhau với cùng một kênh dẫn khí. Điều này có nghĩa là, mặc dù trải qua cùng một áp lực, nhưng mức độ biến dạng và màu sắc khác nhau giữa các pixel, làm giảm độ phức tạp của tổng thể thiết bị ”.

Chỉ sử dụng hai kênh dẫn khí, nguyên mẫu của các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các mẫu bàn cờ 7 x 5 phù hợp với bóng và kết cấu của bề mặt xung quanh. Với bảy kênh, chúng có thể hiển thị các chữ số theo phong cách của màn hình màu bảy đoạn được tìm thấy trong đồng hồ LCD.

Các nhà nghiên cứu tin rằng hiệu suất cơ học độc đáo của MCLCE sẽ truyền cảm hứng cho việc tạo ra các thiết bị và cảm biến quang phỏng sinh học mới có độ nhạy cao và phức tạp mặc dù cơ chế tương đối đơn giản của vật liệu. Họ cũng có kế hoạch trình diễn thêm các màn hình 3D, cũng như các cửa sổ “thông minh” phản ứng với nhiệt độ môi trường xung quanh bằng cách thay đổi màu sắc.

Tham khảo: “Ngụy trang băng thông rộng và pixel trong chất đàn hồi tinh thể lỏng nematic thổi phồng lên” của Se-Um Kim, Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim, Haihuan Wang và Shu Yang, ngày 6 tháng 9 năm 2021, Vật liệu tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41563-021-01075-3

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi các nhà tài trợ của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS) / Quỹ Nghiên cứu Dầu mỏ (# 573238) và Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) thông qua Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu của Đại học Pennsylvania (MRSEC) (DMR-1720530). Các tác giả thừa nhận việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét và phương tiện Tán xạ tia X nguồn kép và môi trường được hỗ trợ bởi NSF / MRSEC (DMR-1720530) thông qua Phòng thí nghiệm Nghiên cứu về Cấu trúc của Vật chất tại Đại học Pennsylvania. Việc mua thiết bị có thể thực hiện được nhờ tài trợ MRI của NSF (17-25969), tài trợ ARO DURIP (W911NF-17-1-0282) và Đại học Pennsylvania.

Theo Scitechdaily