ساخت موادی با قابلیت تغییر رنگ با الگوبرداری از پوست آفتاب‌پرست‌ها
آفتاب پرست ها به خاطرتغییر رنگ پوست خود معروف هستند. اما این باور که این جانداران رنگ پوست خود را به رنگ محیط در می‌آورند غلط است. آنها توانایی بسیار بالایی در تغییر رنگ پوست خود دارند که این ویژگی دانشمندان را برای سال‌ها شیفته‌ی خود کرده است. امروزه دانشمندان با الگو پذیرفتن از مارمولک های کوچک موادی را ساخته اند که مانند آفتاب پرست‌ها به راحتی تغییر رنگ می‌دهند.
|
اين ماده ي سيليکوني وقتي فشرده يا کشيده مي‌شود، دقيقاً مانند رنگ پوست آفتاب پرست تغيير رنگ مي دهد.
|
این ماده توسط یک استاد مهندسی برق از دانشگاه برکلی به نام کانی چانگ هاسنن (Connie Chang-Hasnain) و با کمک دانشجویان خود، لی ژو (Li Zhu) و جیمز فررا (James Ferrara) و یک دانشجوی میهمان ( Jonas Kapraun) ساخته شد. چانگ هانسن توضیح می دهد که " یک روز در سمینار گروهمان در مورد رنگ‌ها فکر می‌کردیم و به اطلاعات موجود در مورد تغییر رنگ پوست آفتاب‌پرست‌ها نگاه می‌کردیم و شیفته آن شده بودیم و به این فکر می‌کردیم که چنین چیزی طراحی کنیم." و آنها موفق به انجام این کار شدند که نتایج آن در اُپتیکا (Optica) چاپ شد.
تیم دانشگاه برکلی با استفاده از سیلیکون فیلمی با قابلیت تغییر رنگ ساختند که از همان قواعدی استفاده می کند که آفتاب‌پرست برای تغییر رنگ پوست خود دارد: رنگ ساختاری.
تیم دیگر از دانشمندان از دانشگاه ژنو به تازگی مقاله ای در ارتباطات طبیعت (Nature Communication) چاپ کردند که در آن توضیح می‌دهند که راز تغییر رنگ سریع پوست آفتاب‌پرست، شبکه ای از نانوکریستال‌ها در پوست این خزنده است که از پدیده‌ای نوری به نام «رنگ ساختاری» استفاده می کند.
توصيف تصويري آنچه به ماده‌ي جديد مي‌شناسيم و اينجا معرفي شد. از مقاله‌ي ژو و همکاران. ۲۰۱۵
رنگ های ساختاری، به جای جذب نور و انتشار آن در طول موجی مشخص مانند آنچه در رنگدانه‌ها و رزانه‌ها اتفاق می‌افتد، از طریق برهمکنش‌های فیزیکی نور با یک سطح سه بعدی تولید می شوند. زمانی که نور به شیا ها یا لبه‌ها برخورد می‌کند، طول موج‌های مختلف به شکل‌های متفاوتی خم و منتشر می شوند. این امر منجر به تداخل سازنده برخی طول موج ها می‌شود در حالیکه باقی آنها منعکس می‌شوند و نتیجه آن است که چشم ما رنگ مشخصی را می‌بیند. از آنجا که رنگ‌های ساختاری به هندسه‌ی نور و نانوصفحه بستگی دارند از هر زاویه به شکلی متفاوت دیده می‌شوند و به همین دلیل لرزان به نظر می‌آیند.
رنگ آبی که در پَرِ طاووس می‌بینیم یا حالت رنگین کمانی پشت سوسک نیز مثال‌هایی از رنگ‌های ساختاری هستند، اما آفتاب‌پرست در این زمینه بسیار خاص است و توانایی عوض کردن رنگ پوست خود از طریق رنگ‌های ساختاری را در حد بسیار عالی دارد.
 |
لایه‌ی سطحی پوست آفتاب‌پرست دارای شبکه‌ای از کریستال‌های گوانین می‌باشد. این جاندار همچنین در پوست خود رنگدانه های زرد و قرمز دارد که شدت این رنگ‌ها با توجه به تغییر رنگ ساختاری منعکس شده از کریستال‌ها کم یا زیاد می شود. زمانی که کریستال‌ها محکم و با فاصله‌ی کم در کنار هم قرار می‌گیرند، طول موج های آبی‌تر را منعکس می‌کنند که باعث می‌شود قسمت های زرد، به رنگ سبز و قسمت های قرمز، به رنگ بنفش یا قهوه‌ای دیده شوند. اما زمانی که فاصله‌ی کریستال‌ها از هم زیاد می‌شود، طول‌موج‌های قرمزتر منعکس می‌شوند و درنتیجه رنگ زرد، نارنجی به نظر می‌آید و رنگ قرمز شدیدتر دیده می‌شود.
آفتاب پرست‌ها می‌توانند با شُل یا سفت کردن پوست خود فاصله‌ی بین کریستال‌ها را تغییر دهند و رنگی که توسط شبکه‌ی نانوکریستال‌ها منعکس می‌شود تغییر می‌کند، درست مانند ماده‌ای که تیم دانشگاه برکلی ساخته است.
پوست مصنوعی ساخته شده توسط تیم دانشگاه برکلی از ایجاد خطوطی کوچک بر روی غشای سیلیکونی ایجاد شده است. چانگ هاسنن توضیح می دهد: "این نوارهای سیلیکونی بسیار نازک هستند، در حدود 100یا شاید 120 نانومتر، چیزی در حدود یک هزارم قطر موی انسان." از آنجا که غشاء از سیلیکون منعطف درست شده است فضای میان این خطوط با جمع و کشیده شدن سطح تغییر می‌کند که در نتیجه‌ی آن طول موج نور برگشتی تغییر می‌کند. وی اضافه می‌کند که: ماده‌ای که ما ساخته‌ایم، در تغییر رنگ بسیار مؤثر عمل می‌کند.
اين شکل از مقاله نشان مي‌دهد که چقدر تغييرات آرام در فضاي بين روبان‌ها باعث مي‌شود تا ماده به رنگ‌هاي مختلف نور مرئي پاسخ دهد. تصوير از دکتر. چانگ هاسنين
تفکر استفاده از خواص فیزیکی نور در ارتباط با غشاء ایده‌ی جدیدی نیست، اما چیزی که این ماده را خاص می‌کند عملکرد آن به صورت سطحی منعکس‌کننده و نه به صورت یک فیلتر است. چانگ هاسنن توضیح می‌دهد: «ما تلاش کردیم تا از آفتاب‌پرست تقلید کنیم و از الگوهایی که دوره تناوبشان عمود بر جهت نظاره است استفاده کردیم. محاسبه‌ی فاصله‌ی بین نوارها برای تعیین رنگ منعکس شده از آنها در زمان کشیده شدن یا جمع شدن نیازمند قدرت محاسبه کردن زیادی بود، در نتیجه بدون تکنولوژی مدرن ساختن چنین ماده‌ای غیرممکن می‌بود.»
|
حد فاصل‌هايي که سطحي با قابليت تغيير رنگ ايجاد مي‌کند.
|
تفاوت اصلی میان پوست آفتاب‌پرست و پوست مصنوعی سیلیکونی در این است که در پوست مصنوعی از خطوط به جای ساختار نقطه‌ای مانند کریستال‌های پوست آفتاب‌پرست استفاده شده است.
چانگ هاسنن توضیح می‌دهد: این پوست مصنوعی تنها خطوط یا در واقع الگویی تناوبی از نوارها می‌باشد اما گروه به دنبال ساختاری دو بعدی مانند لکه یا نقطه است تا شباهت بیشتری به پوست آفتاب‌پرست داشته باشد. به دلیل پیچید‌ه‌تر بودن ایجاد یک ساختار نقطه‌ای، گروه کار خود را از خطوط شروع کرد.
از آنجا که این مواد برای شناسایی تنش حتی در مقادیر کم بر روی سطوح صلب مانند بدنه‌ی هواپیما و یا سنسورهای ساختمان‌ها به نسبت ساده و مقرون به صرفه هستند، می‌توانند انقلابی در صنعت سنسورها ایجاد کنند. این مواد در بایوسنسورها نیز قابل استفاده هستند. همچنین اگر تیم تحقیقاتی بتواند مقیاس ابعادی فیلم های سیلیکونی را افزایش دهد می توان از آنها برای استتار سربازان نیز استفاده کرد.
همچنین محققین به دنبال راهی هستند تا به جای روش مکانیکی مورد استفاده، تغییرات رنگ را با روشی فعال کنترل کنند. چانگ هاسنن می‌گوید: «ما به دنبال این هستیم که بتوانیم با استفاده از میدان الکتریکی رنگ‌ها را تنظیم کنیم. جریان الکتریسیته می‌تواند ضریب شکست مواد را تغییر دهد و وی امیدوار است که در آینده از موادی رساناتر برای ساخت این غشاها استفاده شود تا با عبور جریان برق از درون آنها تغییر رنگ با زدن یک کلید به آسانی قابل انجام باشد.»
منبع اصلي:
New Technicolor dream material
منابع مفيد و مطالب ديگر:
نانولوله‌ها
Technicolor liquid Nanolaser
تکني کالر
فيلم رنگي
