Dieser Fortschritt basiert auf der Kombination eines flexiblen Polymers und eines äußerst präzisen Gravurwerkzeugs, das es ermöglicht, gleichzeitig das Relief und die Farbe eines synthetischen Films zu steuern. Diese künstlichen "Häute", die zu schnellen und reversiblen Verwandlungen fähig sind, eröffnen Perspektiven in verschiedenen Bereichen wie Robotik, taktilen Schnittstellen oder Bioingenieurwesen.
Das Prinzip einer gesteuerten Metamorphose
Der Schlüssel zu dieser Innovation liegt in einem Polymerfilm mit erstaunlichen Eigenschaften: Er schwillt kontrolliert an, wenn er Wasser absorbiert. Mithilfe eines Elektronenstrahls können Forscher die molekulare Struktur dieses Polymers lokal verändern. Diese so "bearbeiteten" Zonen absorbieren dann weniger Flüssigkeit und schwellen folglich weniger an. Dieser Unterschied im Anschwellen zwischen den Zonen, der im trockenen Zustand nicht wahrnehmbar ist, führt dazu, dass sich mikroskopisch feine Reliefmuster zeigen, sobald das Material angefeuchtet wird.
Das Polymer fungiert wie eine reaktive Leinwand, auf der der Künstler nicht mit einem Pinsel, sondern mit einem Partikelstrahl die Muster einzeichnet, die sich erst beim Kontakt mit Wasser offenbaren werden.
Indem sie Reliefstrukturen im Mikrometerbereich erzeugen, können die Wissenschaftler beeinflussen, wie das Licht gestreut wird. Eine Oberfläche kann Licht somit gerichtet reflektieren oder durch Streuung ein mattes Aussehen haben. Diese Fähigkeit ist wichtig für eine realistische Tarnung, da Glanz in einer natürlichen Umgebung oft ein visueller Verräter ist.
Entwicklung der Farbmuster in einer Probe photonischer Weichhaut.
Siddharth Doshi
Farben ohne Pigmente und potenzielle Anwendungen
Um Farben zu erzeugen, haben die Forscher dem System eine optische Dimension hinzugefügt. Sie haben dünne Metallschichten auf beiden Seiten des Polymerfilms aufgedampft und so einen resonanten Hohlraum geschaffen. Die Dicke dieses Hohlraums, die mit dem Anschwellen des Polymers variiert, bestimmt die Wellenlänge des Lichts, das reflektiert wird. Indem das Anschwellen präzise gemäß vorgegebener Muster gesteuert wird, kann eine einheitliche Oberfläche eine Palette farbiger Flecken anzeigen, ganz ohne Farbstoffe.
Die Reversibilität des Prozesses wird durch die Verwendung eines Lösungsmittels, wie Isopropylalkohol, gewährleistet, der das Polymer dehydriert und es innerhalb von Sekunden in seinen flachen, ursprünglichen Zustand zurückversetzt. Diese Reversibilität wurde über hunderte von Zyklen ohne nennenswerte Leistungsverschlechterung getestet – eine ermutigende Robustheit für praktische Anwendungen.
Die vorgesehenen Anwendungen sind vielfältig. Im Bereich der Robotik könnten solche Materialien es weichen Robotern ermöglichen, sich in ihre Umgebung einzufügen oder ihre Haftung auf einer Oberfläche zu verändern. In der Bioingenieurwissenschaft bietet die Fähigkeit, die Textur auf Nanometerskala dynamisch zu verändern, Ansätze zur Steuerung der Adhäsion und des Wachstums von Zellen. Schließlich ebnet diese Arbeit den Weg für neuartige Touchscreens, die auf Knopfdruck erhabene Knöpfe oder Braille-Zeichen erzeugen können.