Un camaleonte può alterare il colore della sua pelle in modo da mimetizzarsi con lo sfondo per nascondersi o distinguersi per difendere il suo territorio e attirare un compagno. Il camaleonte fa sembrare facile questo trucco, utilizzando cristalli fotonici nella sua pelle. Scienziati, però, hanno lottato per creare una "pelle intelligente" di cristallo fotonico che cambia colore in risposta all'ambiente, senza cambiare anche di taglia.

Il giornale ACS Nano sta pubblicando una ricerca condotta dai chimici della Emory University che ha trovato una soluzione al problema. Hanno sviluppato una pelle intelligente flessibile che reagisce al calore e alla luce solare mantenendo un volume quasi costante.

"Guardare un camaleonte cambiare colore mi ha dato l'idea per la svolta, " dice il primo autore Yixiao Dong, un dottorato di ricerca candidato nel Dipartimento di Chimica di Emory. "Abbiamo sviluppato un nuovo concetto per una pelle intelligente che cambia colore, sulla base delle osservazioni di come la natura lo fa."

"Gli scienziati nel campo dei cristalli fotonici stanno lavorando da molto tempo per cercare di creare skin intelligenti che cambiano colore per una gamma di potenziali applicazioni, come il camuffamento, tag di rilevamento chimico e anticontraffazione, "aggiunge Khalid Salaita, autore senior dell'articolo e professore di chimica a Emory. "Mentre il nostro lavoro è ancora nelle fasi fondamentali, abbiamo stabilito i principi per un nuovo approccio da esplorare e su cui costruire."

I coautori del documento includono Alisina Bazrafshan e Dale Combs (studenti di Emory Ph.D.); Kimberly Clarke (un borsista post-dottorato di Emory); e Anastassia Pokutta, Fatiesa Sulejmani e Wei Sun (del dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter della Georgia Tech).

Oltre ai camaleonti, molte altre creature hanno evoluto la capacità di cambiare colore. Le strisce su un pesce tetra neon, Per esempio, passare dal profondo indaco al blu-verde quando nuotano nella luce del sole.

La colorazione in questi organismi non è basata su pigmenti, ma su minuscole particelle in uno schema ripetuto, noti come cristalli fotonici. La periodicità di queste particelle fa sì che il materiale interferisca con le lunghezze d'onda della luce. Sebbene le particelle stesse siano incolori, la distanza precisa tra di loro consente a determinate onde luminose di attraversarli mentre ne respingono altre. I colori visibili prodotti cambiano a seconda di fattori come le condizioni di illuminazione o gli spostamenti nella distanza tra le particelle. L'iridescenza di alcune ali di farfalla e le piume dei pavoni sono tra molti altri esempi di cristalli fotonici in natura.

Se metti le fragole in un frullatore, Dong spiega, il liquido risultante sarà rosso perché il colore delle fragole deriva dal pigmento. Se macini ali di farfalla iridescenti, però, il risultato sarà una polvere opaca perché i colori dell'arcobaleno non erano basati su pigmenti, ma su ciò che è noto come "colore strutturale". La struttura degli array di cristalli fotonici viene distrutta quando le ali delle farfalle vengono macinate.

Per imitare i camaleonti e creare una pelle artificiale intelligente, scienziati hanno sperimentato l'inclusione di array di cristalli fotonici in flessibili, polimeri contenenti acqua, o idrogel. L'espansione o la contrazione dell'idrogel modifica la spaziatura tra gli array, con conseguente cambiamento di colore. Il problema, però, è che l'azione a fisarmonica necessaria per generare un visibile cambiamento di tonalità fa sì che l'idrogel cresca o si riduca significativamente di dimensioni, causando instabilità strutturale e deformazione del materiale.

"Nessuno vuole un mantello mimetico che si restringe per cambiare colore, "Note di Salaita.

Dong stava riflettendo sul problema mentre guardava i video di YouTube di un camaleonte. "Volevo capire perché un camaleonte non diventa più grande o più piccolo quando cambia colore, ma rimane la sua dimensione originale, " lui dice.

In primo piano, immagini time-lapse del camaleonte che cambiano tonalità, Dong notò che gli array di cristalli fotonici non coprivano l'intera pelle ma erano sparsi all'interno di una matrice scura. Man mano che i cristalli fotonici assumevano colori diversi, queste macchie di colore sono rimaste alla stessa distanza l'una dall'altra. Dong ha ipotizzato che le cellule della pelle che compongono la matrice oscura si siano in qualche modo regolate per compensare gli spostamenti nei cristalli fotonici.

"Mi chiedevo se potessimo progettare qualcosa di simile:una struttura composita di array di cristalli fotonici incorporati in una matrice che si adatta alla deformazione, " dice Dong.

I ricercatori hanno utilizzato magneti per disporre modelli di cristalli fotonici contenenti ossido di ferro all'interno di un idrogel. Hanno quindi incorporato questi array in un secondo, idrogel non cambia colore. Il secondo, l'idrogel elastico è stato abbinato meccanicamente al primo idrogel per compensare gli spostamenti nelle distanze tra i cristalli fotonici. Quando riscaldato, questa smart skin (SASS) adatta allo sforzo cambia colore ma mantiene una dimensione quasi costante.

Dong ha anche testato il materiale alla luce del sole, fabbricare pellicole SASS a forma di pesce, in omaggio al neon tetra, oltre che a forma di foglia. Se esposto alla luce solare naturale per 10 minuti, i film SASS sono passati dall'arancione al verde, senza cambiare dimensione.

"Abbiamo fornito un quadro generale per guidare la progettazione futura di skin intelligenti artificiali, " dice Dong. "C'è ancora molta strada da fare per le applicazioni nella vita reale, ma è emozionante spingere il campo un altro passo avanti".