Farbwechselnde künstliche Chamäleonhaut auf Basis von Nanomaschinen
Forscher haben eine künstliche Chamäleonhaut entwickelt, die unter Lichteinwirkung ihre Farbe ändert und für Anwendungen wie aktive Tarnung und großflächige dynamische Displays eingesetzt werden kann.
Symbolbild
FrankWinkler, pixabay.com, CC0
Das von Forschern der University of Cambridge entwickelte Material besteht aus winzigen Goldpartikeln, die in einer Polymerhülle beschichtet und dann in Mikrotropfen von Wasser in Öl gepresst werden. Unter Einwirkung von Hitze oder Licht kleben die Partikel zusammen und verändern die Farbe des Materials.
In der Natur können Tiere wie Chamäleons und Tintenfische dank Chromatophoren ihre Farbe ändern: Hautzellen mit kontraktilen Fasern, die Pigmente bewegen. Die Pigmente werden ausgebreitet, um ihre Farbe zu zeigen, oder zusammengedrückt, um die Zelle klar zu machen.
Die von den Cambridge-Forschern entwickelten künstlichen Chromatophoren basieren auf dem gleichen Prinzip, aber anstelle von kontraktilen Fasern basieren ihre farbverändernden Fähigkeiten auf lichtbetriebenen Nanomechanismen, und die "Zellen" sind mikroskopische Wassertropfen.
Wenn das Material über 32 Grad erhitzt wird, speichern die Nanopartikel große Mengen an elastischer Energie in Sekundenbruchteilen, da die Polymerbeschichtungen das gesamte Wasser ausstoßen und zusammenbrechen. Dies hat den Effekt, dass die Nanopartikel gezwungen sind, sich zu engen Clustern zu verbinden. Beim Abkühlen des Materials nehmen die Polymere Wasser auf und dehnen sich aus, und die Goldnanopartikel werden wie eine Feder stark und schnell auseinandergedrückt.
"Das Laden der Nanopartikel in die Mikrotropfen ermöglicht es uns, die Form und Größe der Cluster zu kontrollieren, was uns dramatische Farbveränderungen bringt", sagte Dr. Andrew Salmon vom Cambridge Cavendish Laboratory, dem Mitautor der Studie.
Die Geometrie der Nanopartikel, wenn sie sich zu Clustern verbinden, bestimmt, wie sie aussehen: Wenn die Nanopartikel auseinander gespreizt sind, sind sie rot und wenn sie sich zusammenschließen, sind sie dunkelblau. Die Wassertropfen komprimieren aber auch die Partikelcluster, so dass sie sich gegenseitig abschatten und den gebündelten Zustand nahezu transparent machen.
Das von den Cambridge-Forschern entwickelte Material ist derzeit einlagig, so dass es nur in eine einzige Farbe übergehen kann. Allerdings können verschiedene Nanopartikelmaterialien und -formen in zusätzlichen Schichten verwendet werden, um ein voll dynamisches Material zu erzeugen, wie echte Chamäleonhaut.
Die Forscher beobachteten auch, dass die künstlichen Zellen auf einfache Weise "schwimmen" können, ähnlich wie die Algen Wolvox. Wenn ein Licht auf eine Kante der Tropfen fällt, schält sich die Oberfläche in Richtung des Lichts und drückt es nach vorne. Unter stärkerer Beleuchtung bilden sich kurzzeitig Hochdruckblasen, die die Tropfen entlang einer Oberfläche drücken.
"Diese Arbeit ist ein großer Fortschritt bei der Nutzung der Nanotechnologie für die Biomimikry", sagte Co-Autor Sean Cormier. "Wir arbeiten derzeit daran, dies auf Rolle-zu-Rolle-Filmen zu replizieren, damit wir meterweise Farbwechselbögen herstellen können. Mit strukturiertem Licht wollen wir auch das lichtgesteuerte Schwimmen nutzen, um Tropfen zu "hüten". Es wird wirklich spannend sein zu sehen, welche kollektiven Verhaltensweisen erzeugt werden."
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