Il regno animale è pieno di creature con mimetizzazione attiva. Quello che sembra uno squallido mucchio di sabbia e rocce potrebbe in realtà essere un calamaro dai colori vivaci, strutture in espansione e in contrazione all'interno della loro pelle per rivelare sfumature di marrone e grigio invece di vibranti blu e gialli. Conosciuti come cromatofori, queste cellule possono espandere e ritrarre piastre riflettenti interne in risposta a stimoli esterni, permettendo all'animale di abbinare i colori e i modelli dell'ambiente circostante, e sparire in un istante.

Ora, i ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania si stanno ispirando a questo tipo di mimetizzazione attiva. Usando sottile, membrane flessibili costituite da una rete polimerica di cristalli liquidi disposti in forme elicoidali, questi ricercatori hanno sviluppato una sorta di cromatoforo artificiale in grado di cambiare i colori istantaneamente, dal vicino infrarosso al visibile all'ultravioletto, a comando.

Queste membrane sono situate su minuscole cavità disposte a griglia, ognuno dei quali può essere gonfiato pneumaticamente ad una pressione precisa. Quando una cavità si gonfia, la membrana è tesa, restringendo il suo spessore e spostando il suo colore apparente.

criticamente, queste membrane non hanno bisogno di essere allungate molto per ottenere questo effetto. Usando una quantità di pressione equivalente a un tocco delicato, il loro colore può essere cambiato in qualsiasi cosa all'interno dello spettro visibile. I materiali che cambiano colore che utilizzano meccanismi simili hanno storicamente bisogno di essere deformati del 75% per passare dal rosso al blu, rendendoli impossibili da utilizzare in ambienti con dimensioni fisse, come display o finestre.

Poiché i cromatofori artificiali dei ricercatori necessitano di una deformazione inferiore al 20% per ottenere lo stesso effetto, possono essere disposti come pixel in un monitor LCD. E poiché i cristalli liquidi stratificati nel sistema dei ricercatori hanno il loro colore riflettente, non hanno bisogno di essere retroilluminati e quindi non hanno bisogno di una fonte di alimentazione costante per mantenere il loro aspetto intrinsecamente vibrante.

Mentre i display dei prototipi dei ricercatori hanno solo poche dozzine di pixel ciascuno, uno studio che dimostra il principio alla base della loro capacità di cambiare colore delinea il loro potenziale in una varietà di tecniche di mimetizzazione, così come le applicazioni in architettura, robotica, sensori e altri campi.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Materiali della natura , era guidato da Shu Yang, Giuseppe Bordogna Professore e Preside del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e Se-Um Kim, poi un ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio. I membri del laboratorio Yang Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Anche Dae Seok Kim e Haihuan Wang hanno contribuito alla ricerca.

"Il nostro laboratorio è sempre stato interessato al colore strutturale, incluso come cambiarlo usando forze meccaniche, " dice Yang. "Per esempio, abbiamo precedentemente dimostrato che un polimero che cambia colore può segnalare lesioni cerebrali traumatiche in soldati e atleti. Osservando come alcuni animali hanno evoluto il colore strutturale, ci siamo resi conto che avevano celle elastiche che funzionavano come i pixel in un display e che potremmo potenzialmente adottare un approccio simile".

Colore strutturale, il fenomeno che conferisce alle ali di farfalla e alle piume di pavone un'iridescenza spesso più brillante dei pigmenti o dei colori a base di coloranti, viene prodotta quando la luce interagisce con le caratteristiche microscopiche di una superficie. Nel caso delle esposizioni dei ricercatori, queste caratteristiche si trovano in una classe di materiali noti come "elastomeri cristallini liquidi nematici chirali a catena principale" o MCLCE. I cristalli liquidi sono materiali intrinsecamente anisotropi, il che significa che le loro proprietà variano in base al loro orientamento direzionale. La forma elicoidale degli MCLCE consente un'anisotropia ampia ed elastica, poiché il passo dell'elica può essere facilmente modificato.

Quando una cavità nel display viene gonfiata, la sua membrana MCLCE è allungata. Proprio come comprimere una molla, questo riduce il passo dell'elica di cristalli liquidi all'interno della membrana, cambiando la lunghezza d'onda della luce che viene riflessa allo spettatore.

Tracciando l'esatta pressione richiesta per portare ogni cromatoforo artificiale al colore desiderato, i ricercatori sono stati in grado di programmarli come i pixel di un display. Questo livello di controllo è possibile anche senza pompe pneumatiche separate per ogni pixel.

"Volevo generare rosso, colore verde e blu contemporaneamente in una semplice operazione, "Kim dice, "così ho collegato cavità di diversa larghezza allo stesso canale dell'aria. Ciò significa che, nonostante la stessa pressione, il grado di deformazione e il colore varia da pixel a pixel, riducendo la complessità del dispositivo complessivo."

Utilizzando solo due canali d'aria, il prototipo dei ricercatori può produrre schemi a scacchiera 7 per 5 che corrispondono all'ombreggiatura e alla trama di una superficie circostante. Con sette canali, possono riprodurre le cifre nello stile dei display a colori a sette segmenti che si trovano negli orologi LCD

I ricercatori ritengono che le prestazioni meccanocromiche uniche degli MCLCE ispireranno la creazione di nuovi dispositivi e sensori fotonici biomimetici che sono altamente sensibili e complessi nonostante il meccanismo relativamente semplice del materiale. Hanno anche in programma di dimostrare ulteriormente i display 3D, così come finestre "intelligenti" che rispondono alla temperatura ambiente cambiando colore.