Вдохновлённые японским искусством киригами, группа учёных из Амстердамского университета разработала материал, который может отражать разные цвета света в зависимости от того, как он растягивается. Результаты недавно были опубликованы в журнале ACS Photonics.
Киригами, подобно своему более известному родственнику — оригами (японскому искусству складывания бумаги), представляет собой искусство, в котором бумага не только складывается, но и разрезается. Поразительные трёхмерные конструкции, которые создают художники киригами, вдохновили команду физиков из Амстердамского университета на создание не менее впечатляющего материала: такого, который плавно меняет свой цвет при растяжении.
В обычных материалах цвет определяется их составом: например, пигментами в краске или красителями в ткани. Как только материал выбран, его цвет также фиксируется. В новом материале цвет определяется его структурой. Этот тип цвета, метко названный «структурным цветом», имеет огромное преимущество — его можно легко изменить в любой момент.
В лаборатории можно создавать материалы с заданными свойствами. Эти так называемые метаматериалы состоят из крошечных структур, намного меньших, чем толщина человеческого волоса, и их цвет зависит от формы и расположения этих крошечных структур — действительно, очень похоже на искусство киригами.
Когда материал растягивается, его микроскопические узоры перемещаются и поворачиваются, изменяя то, как свет отражается от поверхности. В результате во время растяжения цвет света, отражённого от этого «наномасштабного хамелеона», плавно переходит от зелёного к жёлтому и, наконец, к красному.
Дизайн материала был непростым процессом, вспоминает первый автор исследования Фрик ван Горп: «Сначала мы столкнулись с серьёзной проблемой: материал, который мы хотели использовать, — кремний — довольно хрупок в макроскопическом масштабе. Мы сначала пытались разместить крошечные частицы кремния на гибкой подложке или внутри неё, но сама подложка внесла новые сложности».
«Настоящий прорыв произошёл, когда мы начали задаваться вопросом, нужна ли нам подложка вообще. Превратив кремний в тонкую узорчатую сетку, мы смогли сделать материал одновременно гибким и функциональным. Этот подход позволил объединить оптические метаповерхности с механическими метаматериалами в едином дизайне, обеспечив эффект настройки цвета, который мы продемонстрировали в этой работе», — добавляет Йорик ван де Гроп, руководитель лаборатории двумерной нанофотоники, в которой проводилось исследование.
С завершением дизайна материала исследователи в настоящее время работают над тем, чтобы воплотить концепцию из симуляции в реальность, изготовив настоящую гибкую метаповерхность в чистой комнате в близлежащем исследовательском институте AMOLF.
Теперь, когда было показано, как свет можно контролировать с помощью движения, а не химии, реализация идеи в полностью функциональном метаматериале является очевидным следующим шагом, открывая в ближайшем будущем возможности для создания покрытий с настраиваемым цветом, интеллектуальных датчиков и лёгких оптических устройств, которые адаптируются к окружающей среде.
Предоставлено
Амстердамским университетом