Вчені розробляють регульовані кольорові плівки для дисплеїв і сенсорів

Дослідники з Індійського наукового інституту (IISc) розробили гнучкі плівки, які демонструють яскраві кольори виключно завдяки своїй фізичній структурі, не потребуючи жодного пігменту. При розтягуванні плівки змінюють колір у відповідь на механічну деформацію.

Щоб спроектувати ці плівки, команда розробила нову, економічно ефективну та масштабовану одноетапну техніку, яка включає випаровування металевого галію для формування частинок нанорозміру на гнучкій підкладці. Їхній метод дозволяє одночасно виготовляти кілька структурних кольорів, що реагують на механічні подразники. Команда також показала, як ці плівки можна використовувати для різноманітних застосувань, від розумних пов’язок і датчиків руху до світловідбиваючих дисплеїв.

«Це перший випадок, коли такий рідкий метал, як галій, використовувався для фотоніки», — каже Тападжоті Дас Гупта, доцент кафедри приладобудування та прикладної фізики (IAP) і автор дослідження, опублікованого в Nature Nanotechnology.

Деякі природні об’єкти, такі як дорогоцінні камені, мушлі молюсків або пір’я павича, за своєю суттю різнокольорові. Їх кольори з’являються в результаті взаємодії світла з періодично розташованими мікро- або наноструктурами, такими як крихітні кремнеземні сфери в опалі, пластинки на основі карбонату кальцію в раковинах молюсків і сегментовані стрічки на циліндричних структурах у пір’ї павича.

Натхненні природою структурно забарвлені матеріали знайшли широке застосування в дисплеях, переносній електроніці, візуальних датчиках і бірках для захисту від підробок. В останні роки вчені намагаються створити матеріали, здатні змінювати колір у відповідь на зовнішній механічний подразник.

Команда IISc почала експериментувати з галієм, який не був досліджений для таких застосувань, оскільки його високий поверхневий натяг перешкоджає утворенню наночастинок. Галій є рідким металом при кімнатній температурі, і було показано, що його наночастинки сильно взаємодіють з електромагнітним випромінюванням.

Процес, розроблений командою, досягає подвигу подолання бар’єру поверхневого натягу для створення наночастинок галію за допомогою розумного використання властивостей субстрату під назвою полідиметилсилоксан (PDMS), біосумісного полімеру.

Коли підкладку розтягнули, дослідники помітили щось незвичайне. Матеріал почав показувати різні кольори залежно від штаму. Дослідники припустили, що масив осаджених наночастинок галію взаємодіє зі світлом певним чином, створюючи кольори. Щоб зрозуміти роль підкладки в генерації кольору, команда розробила математичну модель.

PDMS — це полімер, виготовлений шляхом змішування двох рідких компонентів — олігомеру та зшиваючого агента, — які реагують один з одним, утворюючи твердий полімер. Дослідники виявили, що непрореагована частина олігомеру, яка все ще перебуває в рідкому стані, зіграла вирішальну роль у стабілізації утворення наночастинок галію на підкладці.

Коли цей субстрат потім розтягується, рідиноподібні олігомери просочуються в проміжки між наночастинками, змінюючи розмір проміжку та їх взаємодію зі світлом, що призводить до спостережуваної зміни кольору. Експерименти, проведені в лабораторії, підтвердили прогнози моделі. Налаштувавши співвідношення вмісту олігомеру до крослінкера, дослідники отримали гаму кольорів.

«Ми показуємо, що підкладка PDMS не тільки зберігає структуру, але й відіграє активну роль у визначенні структури наночастинок галію та кінцевого забарвлення», — говорить Рену Раман Саху, доктор філософії. студент IAP і провідний автор. Навіть після 80 000 циклів розтягування матеріал зміг продемонструвати повторювану зміну кольору, що свідчить про його надійність.

Звичайні методи, такі як літографія, які використовуються для виготовлення таких матеріалів, включають багато етапів і є дорогими для збільшення масштабу. Щоб уникнути цього, команда розробила одноетапну техніку фізичного осадження з парової фази для випаровування рідкого металевого галію та нанесення його на підкладку PDMS. Це дозволило їм виготовляти гнучкі плівки структурного кольору розміром приблизно в половину розміру долоні.

Існують різні варіанти застосування таких плівок. Команда продемонструвала один такий додаток: датчик руху тіла. Смужка плівки, прикріплена до пальця, змінювала колір при згинанні пальця, допомагаючи відчути рух у реальному часі.