Ingenieure nutzen das 19. um

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Stellen Sie sich vor, Sie dehnen ein Stück Folie, um eine verborgene Botschaft freizulegen. Oder überprüfen Sie die Farbe eines Armbands, um die Muskelmasse zu messen. Oder Sie tragen einen Badeanzug, dessen Farbe sich ändert, wenn Sie Ihre Runden drehen. Solche chamäleonartigen, farbverändernden Materialien könnten dank einer fotografischen Technik, die von MIT-Ingenieuren wiederbelebt und einer neuen Verwendung zugeführt wurde, in Sicht sein.

Durch die Anwendung einer Farbfotografietechnik aus dem 19. Jahrhundert auf moderne holografische Materialien hat ein MIT-Team großformatige Bilder auf elastische Materialien gedruckt, die bei Dehnung ihre Farbe ändern und bei Belastung des Materials unterschiedliche Wellenlängen reflektieren können.

Die Forscher stellten dehnbare Folien her, die mit detaillierten Blumensträußen bedruckt waren, die sich beim Dehnen der Folien von warmen in kühlere Farbtöne verwandeln. Sie druckten auch Filme, die den Abdruck von Gegenständen wie einer Erdbeere, einer Münze und einem Fingerabdruck zeigen.

Die Ergebnisse des Teams liefern die erste skalierbare Fertigungstechnik zur Herstellung detaillierter, großformatiger Materialien mit „Strukturfarbe“ – einer Farbe, die als Folge der mikroskopischen Struktur eines Materials und nicht durch chemische Zusätze oder Farbstoffe entsteht.

„Die Skalierung dieser Materialien ist nicht trivial, da man diese Strukturen im Nanomaßstab kontrollieren muss“, sagt Benjamin Miller, ein Doktorand am Department of Mechanical Engineering des MIT. „Nachdem wir diese Skalierungshürde nun überwunden haben, können wir Fragen untersuchen wie: Können wir dieses Material verwenden, um Roboterhaut herzustellen, die einen menschenähnlichen Tastsinn hat? Und können wir berührungsempfindliche Geräte für Dinge wie virtuelle Augmented Reality entwickeln.“ oder medizinische Ausbildung? Es ist ein großer Bereich, den wir jetzt betrachten.“

Die Ergebnisse des Teams erscheinen heute in Nature Materials. Millers Co-Autoren sind die MIT-Studentin Helen Liu und Mathias Kolle, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT.

Hologramm-Zufall

Kolles Gruppe entwickelt optische Materialien, die von der Natur inspiriert sind. Die Forscher haben die lichtreflektierenden Eigenschaften von Muschelschalen, Schmetterlingsflügeln und anderen schillernden Organismen untersucht, die aufgrund mikroskopischer Oberflächenstrukturen zu schimmern und ihre Farbe zu verändern scheinen. Diese Strukturen sind abgewinkelt und geschichtet, um Licht wie farbige Miniaturspiegel zu reflektieren, oder was Ingenieure als Bragg-Reflektoren bezeichnen.

Gruppen wie Kolle haben versucht, diese natürliche, strukturelle Farbe mithilfe verschiedener Techniken in Materialien zu reproduzieren. Einige Versuche haben kleine Proben mit präzisen nanoskaligen Strukturen hervorgebracht, während andere größere Proben, jedoch mit geringerer optischer Präzision, hervorgebracht haben.

Wie das Team schreibt, „bleibt ein Ansatz, der sowohl [Mikroskalenkontrolle als auch Skalierbarkeit] bietet, trotz mehrerer potenziell wirkungsvoller Anwendungen schwer zu erreichen.“

Während Miller darüber nachdachte, wie er diese Herausforderung lösen könnte, besuchte er zufällig das MIT-Museum, wo ihm ein Kurator eine Ausstellung über Holographie vorstellte, eine Technik, die dreidimensionale Bilder erzeugt, indem zwei Lichtstrahlen auf ein physisches Material gelegt werden.

„Mir wurde klar, dass das, was sie in der Holographie machen, in etwa das Gleiche ist, was die Natur mit Strukturfarben macht“, sagt Miller.

Dieser Besuch spornte ihn an, sich über die Holographie und ihre Geschichte zu informieren, die ihn zurück ins späte 19. Jahrhundert führte, sowie über die Lippmann-Fotografie – eine frühe Technik der Farbfotografie, die vom französisch-luxemburgischen Physiker Gabriel Lippmann erfunden wurde, der später dafür den Nobelpreis für Physik erhielt Technik.

Lippmann erzeugte Farbfotos, indem er zunächst einen Spiegel hinter eine sehr dünne, transparente Emulsion stellte – ein Material, das er aus winzigen lichtempfindlichen Körnchen herstellte. Er setzte den Aufbau einem Lichtstrahl aus, den der Spiegel durch die Emulsion zurückreflektierte. Die Interferenz der ein- und ausgehenden Lichtwellen regte die Körner der Emulsion dazu an, ihre Position wie viele kleine Spiegel neu zu konfigurieren und das Muster und die Wellenlänge des belichtenden Lichts zu reflektieren.

Mit dieser Technik projizierte Lippmann strukturell farbige Bilder von Blumen und anderen Szenen auf seine Emulsionen, allerdings war der Prozess mühsam. Dazu gehörte die Herstellung der Emulsionen in Handarbeit und das tagelange Warten, bis das Material ausreichend dem Licht ausgesetzt war. Aufgrund dieser Einschränkungen verschwand die Technik weitgehend in der Geschichte.

Eine moderne Variante

Miller fragte sich, ob die Lippmann-Fotografie in Kombination mit modernen, holografischen Materialien beschleunigt werden könnte, um großformatige, strukturell gefärbte Materialien herzustellen. Aktuelle holografische Materialien bestehen wie Lippmanns Emulsionen aus lichtempfindlichen Molekülen, die sich unter Einwirkung einfallender Photonen zu farbigen Spiegeln vernetzen können.

„Die Chemie dieser modernen holografischen Materialien ist mittlerweile so reaktionsschnell, dass es möglich ist, diese Technik in kurzer Zeit einfach mit einem Projektor durchzuführen“, bemerkt Kolle.

In ihrer neuen Studie klebte das Team einen elastischen, transparenten holografischen Film auf eine reflektierende, spiegelähnliche Oberfläche (in diesem Fall ein Aluminiumblech). Anschließend platzierten die Forscher einen handelsüblichen Projektor einige Meter vom Film entfernt und projizierten Bilder auf jede Probe, darunter auch Lippman-artige Blumensträuße.

Wie sie vermuteten, produzierten die Filme innerhalb weniger Minuten statt Tage große, detaillierte Bilder und gaben die Farben der Originalbilder lebendig wieder.

Anschließend zogen sie die Folie vom Spiegel ab und klebten sie zur Unterstützung auf eine schwarze elastische Silikonunterlage. Sie dehnten den Film und beobachteten die Farbveränderung – eine Folge der Strukturfarbe des Materials: Wenn sich das Material ausdehnt und dünner wird, ordnen sich seine nanoskaligen Strukturen neu an, um leicht unterschiedliche Wellenlängen zu reflektieren, beispielsweise von Rot zu Blau.

Das Team stellte fest, dass die Farbe des Films sehr empfindlich auf Belastung reagiert. Nachdem sie einen vollständig roten Film hergestellt hatten, klebten sie ihn auf eine Silikonunterlage unterschiedlicher Dicke. Wo der Träger am dünnsten war, blieb die Folie rot, wohingegen dickere Abschnitte die Folie belasteten und zu einer Blaufärbung führten.

Ebenso fanden sie heraus, dass das Einpressen verschiedener Gegenstände in rote Filmproben detaillierte grüne Abdrücke hinterließ, die beispielsweise durch die Samen einer Erdbeere und die Falten eines Fingerabdrucks verursacht wurden.

Interessanterweise konnten sie auch verborgene Bilder projizieren, indem sie beim Erstellen der farbigen Spiegel den Film in einem Winkel zum einfallenden Licht neigten. Diese Neigung führte im Wesentlichen dazu, dass die Nanostrukturen des Materials ein rotverschobenes Lichtspektrum reflektierten. Beispielsweise würde grünes Licht, das während der Materialbelichtung und -entwicklung verwendet wird, dazu führen, dass rotes Licht reflektiert wird, und die Belichtung mit rotem Licht würde Strukturen ergeben, die Infrarot reflektieren – eine Wellenlänge, die für Menschen nicht sichtbar ist. Wenn das Material gedehnt wird, ändert sich die Farbe dieses sonst unsichtbaren Bildes und erscheint in Rot.

„Auf diese Weise könnte man Nachrichten verschlüsseln“, sagt Kolle.

Insgesamt ist die Technik des Teams die erste, die eine großflächige Projektion detaillierter, strukturell gefärbter Materialien ermöglicht.

„Das Schöne an dieser Arbeit ist die Tatsache, dass sie eine einfache, aber äußerst effektive Methode zur Herstellung großflächiger photonischer Strukturen entwickelt haben“, sagt Sylvia Vignolini, Professorin für Chemie und Biomaterialien an der Universität Cambridge, die nicht daran beteiligt war die Studie. „Diese Technik könnte für Beschichtungen und Verpackungen sowie für Wearables bahnbrechend sein.“

Tatsächlich stellt Kolle fest, dass sich die neuen farbverändernden Materialien leicht in Textilien integrieren lassen.

„Lippmanns Materialien hätten es ihm nicht einmal ermöglicht, einen Speedo herzustellen“, sagt er. „Jetzt könnten wir einen vollständigen Trikotanzug herstellen.“

Über Mode und Textilien hinaus erforscht das Team Anwendungen wie farbverändernde Bandagen zur Überwachung des Bandagendrucks bei der Behandlung von Erkrankungen wie venösen Geschwüren und bestimmten Lympherkrankungen.

Diese Forschung wurde teilweise vom Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation am Brigham and Women's Hospital, der National Science Foundation, dem MIT Deshpande Center for Technological Innovation, Samsung und dem MIT ME MathWorks Seed Fund unterstützt.

Forscher am MIT haben „ein dehnbares, farbveränderndes Material geschaffen, das darauf basiert, wie die Natur oft Farben reflektiert“, berichtet Nicole Estaphan für WCVBs Chronicle. „Wenn man es dehnt, verändern diese eingebetteten Nanostrukturen ihre Größe“, erklärt Doktorand Benjamin Miller, „was wiederum die Farbe des zurückkommenden Lichts verändert. Wir stellen eine elastische, weiche Version von Dingen her, die man in der Natur findet.“ "

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