Immagina di allungare un pezzo di film per rivelare un messaggio nascosto. O controllando il colore di una fascia da braccio per misurare la massa muscolare. O sfoggiare un costume da bagno che cambia colore mentre fai i giri. Tali materiali camaleontici e cangianti potrebbero essere all'orizzonte, grazie a una tecnica fotografica che è stata resuscitata e riproposta dagli ingegneri del MIT.

Applicando una tecnica fotografica a colori del XIX secolo ai moderni materiali olografici, un team del MIT ha stampato immagini su larga scala su materiali elastici che, se allungati, possono trasformare il loro colore, riflettendo diverse lunghezze d'onda quando il materiale viene teso.

I ricercatori hanno prodotto pellicole elastiche stampate con mazzi di fiori dettagliati che si trasformano da tonalità calde a tonalità più fredde quando le pellicole vengono allungate. Hanno anche stampato pellicole che rivelano l'impronta di oggetti come una fragola, una moneta e un'impronta digitale.

I risultati del team forniscono la prima tecnica di produzione scalabile per la produzione di materiali dettagliati su larga scala con "colore strutturale", colore che deriva dalla struttura microscopica di un materiale, piuttosto che da additivi chimici o coloranti.

"Ridimensionare questi materiali non è banale, perché è necessario controllare queste strutture su scala nanometrica", afferma Benjamin Miller, uno studente laureato presso il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT. "Ora che abbiamo superato questo ostacolo al ridimensionamento, possiamo esplorare domande come:possiamo usare questo materiale per creare una pelle robotica che abbia un senso del tatto simile a quello umano? E possiamo creare dispositivi di rilevamento del tocco per cose come la realtà aumentata virtuale o formazione medica? È un grande spazio che stiamo guardando ora."

I risultati del team appaiono oggi in Nature Materials . I coautori di Miller sono Helen Liu, studentessa del MIT, e Mathias Kolle, professore associato di ingegneria meccanica al MIT.

Caso dell'ologramma

Il gruppo di Kolle sviluppa materiali ottici che si ispirano alla natura. I ricercatori hanno studiato le proprietà di riflessione della luce nei gusci di molluschi, ali di farfalle e altri organismi iridescenti, che sembrano luccicare e cambiare colore a causa di strutture superficiali microscopiche. Queste strutture sono angolate e stratificate per riflettere la luce come specchi colorati in miniatura, o quelli che gli ingegneri chiamano riflettori di Bragg.

Gruppi tra cui Kolle's hanno cercato di replicare questo colore naturale e strutturale nei materiali utilizzando una varietà di tecniche. Alcuni sforzi hanno prodotto piccoli campioni con strutture precise in nanoscala, mentre altri hanno generato campioni più grandi, ma con una precisione ottica inferiore.

Come scrive il team, "un approccio che offra sia [controllo su microscala che scalabilità] rimane sfuggente, nonostante diverse potenziali applicazioni ad alto impatto".

Mentre si interrogava su come risolvere questa sfida, Miller visitò il Museo del MIT, dove un curatore gli parlò attraverso una mostra sull'olografia, una tecnica che produce immagini tridimensionali sovrapponendo due fasci di luce su un materiale fisico.

"Mi sono reso conto che quello che fanno in olografia è più o meno la stessa cosa che fa la natura con il colore strutturale", dice Miller.

Quella visita lo spronò a documentarsi sull'olografia e sulla sua storia, che lo riportò alla fine del 1800, e sulla fotografia Lippmann, una delle prime tecniche di fotografia a colori inventata dal fisico franco-lussemburghese Gabriel Lippmann, che in seguito vinse il Premio Nobel per la Fisica per la tecnica.

Lippmann ha generato foto a colori posizionando prima uno specchio dietro un'emulsione molto sottile e trasparente, un materiale che ha inventato da minuscoli granelli sensibili alla luce. Ha esposto l'installazione a un raggio di luce, che lo specchio ha riflesso attraverso l'emulsione. L'interferenza delle onde luminose in entrata e in uscita ha stimolato i grani dell'emulsione a riconfigurare la loro posizione, come molti piccoli specchi, e riflettere il modello e la lunghezza d'onda della luce di esposizione.

Usando questa tecnica, Lippmann ha proiettato immagini strutturalmente colorate di fiori e altre scene sulle sue emulsioni, sebbene il processo fosse laborioso. It involved hand-crafting the emulsions and waiting for days for the material to be sufficiently exposed to light. Because of these limitations, the technique largely faded into history.

A modern twist

Miller wondered if, paired with modern, holographic materials, Lippmann photography could be sped up to produce large-scale, structurally colored materials. Like Lippmann's emulsions, current holographic materials consist of light-sensitive molecules that, when exposed to incoming photons, can cross-link to form colored mirrors.

"The chemistries of these modern holographic materials are now so responsive that it's possible to do this technique on a short timescale simply with a projector," Kolle notes.

In their new study, the team adhered elastic, transparent holographic film onto a reflective, mirror-like surface (in this case, a sheet of aluminum). The researchers then placed an off-the-shelf projector several feet from the film and projected images onto each sample, including Lippman-esque bouquets.

As they suspected, the films produced large, detailed images within several minutes, rather than days, vividly reproducing the colors in the original images.

They then peeled the film away from the mirror and stuck it to a black elastic silicone backing for support. They stretched the film and observed the colors change—a consequence of the material's structural color:When the material stretches and thins out, its nanoscale structures reconfigure to reflect slightly different wavelengths, for instance, changing from red to blue.

The team found the film's color is highly sensitive to strain. After producing an entirely red film, they adhered it to a silicone backing that varied in thickness. Where the backing was thinnest, the film remained red, whereas thicker sections strained the film, causing it to turn blue.

Similarly, they found that pressing various objects into samples of red film left detailed green imprints, caused by, say, the seeds of a strawberry and the wrinkles of a fingerprint.

Interestingly, they could also project hidden images, by tilting the film at an angle with respect to the incoming light when creating the colored mirrors. This tilt essentially caused the material's nanostructures to reflect a red-shifted spectrum of light. For instance, green light used during material exposure and development would lead to red light being reflected, and red light exposure would give structures that reflect infrared—a wavelength that is not visible to humans. When the material is stretched, this otherwise invisible image changes color to reveal itself in red.

"You could encode messages in this way," Kolle says.

Overall, the team's technique is the first to enable large-scale projection of detailed, structurally colored materials.

Indeed, Kolle notes that the new color-changing materials are easily integrated into textiles.

"Lippmann's materials wouldn't have allowed him to even produce a Speedo," he says. "Now we could make a full leotard."

Beyond fashion and textiles, the team is exploring applications such as color-changing bandages, for use in monitoring bandage pressure levels when treating conditions such as venous ulcers and certain lymphatic disorders. + Esplora ulteriormente

What color is a mirror? Explaining mirrors and how they work.