Un nuovo display interattivo tridimensionale (3D) touchless può cambiare colore in base alla distanza del dito dell'utente dallo schermo rilevando lievi variazioni nell'umidità relativa dell'ambiente, secondo un nuovo studio. La tecnologia potrebbe trovare applicazioni future nell'elettronica indossabile e nelle skin elettroniche (e-skins) che imitano artificialmente la capacità della pelle umana di percepire la pressione, temperatura, e umidità. Mentre gli scienziati hanno già sviluppato una varietà di display touch interattivi, la maggior parte di questi comportano variazioni nell'intensità dell'emissione di luce o riflessione cromica in risposta a uno stimolo piuttosto che cambiamenti di colore, che può fornire un feedback visivo più sorprendente e distinto.

Per sviluppare un display interattivo touchless basato sui cambiamenti nel colore strutturale, Han Sol Kang e colleghi della scienza dei materiali, nanoingegneria e ingegneria chimica nella Repubblica di Corea e negli Stati Uniti, progettato un nuovo display utilizzando reticolato chimicamente, strati di rete di idrogel compenetrati all'interno di cristalli fotonici che rispondono ai cambiamenti nel vapore acqueo quando un dito viene spostato da 1 a 15 millimetri dalla superficie. Il processo potrebbe spostare la configurazione delle sue strutture superficiali per produrre blu, colori verde e arancione. I ricercatori hanno quindi dimostrato la possibilità di trasferire facilmente il film a base di cristalli fotonici da un substrato all'altro, scambiandolo da una superficie di silicio a una banconota da un dollaro stampata. Combinando droganti liquidi ionici (che alterano le proprietà elettriche di un semiconduttore) come inchiostri da stampa, i ricercatori notano le applicazioni della tecnologia per display stampabili e riscrivibili.

I display interattivi per l'utente (UID) facilitano la visualizzazione di informazioni invisibili che possono essere rilevate come il tocco, odore e suono, con potenziali applicazioni nell'elettronica indossabile e patchabile adatta a una futuristica società iperconnessa. L'enorme richiesta di pelle elettronica in grado di imitare artificialmente la pelle umana per rilevare la temperatura, la pressione e l'umidità hanno portato allo sviluppo di una varietà di display tattili interattivi per l'uomo. È richiesta una piattaforma touch per visualizzare uno stimolo senza tocco su display touchless interattivi 3D. Kang et al. immaginare uno stimolo sensibile, a bassa potenza, modalità riflettente, colore strutturale nel campo del visibile (SC) di un cristallo fotonico (PC) per soddisfare i requisiti di progettazione di un display touchless 3-D interattivo per l'utente. Gli scienziati hanno sviluppato un display interattivo senza contatto 3D stampabile utilizzando un inchiostro liquido igroscopico ionico con una facile variazione strutturale del colore rispetto all'umidità. Come prova del concetto, hanno mostrato il rilevamento della posizione 3D del vapore acqueo emanato da un dito umano (umidità) per la visualizzazione senza contatto dal dito alla pellicola, con applicazioni emergenti nell'elettronica indossabile.

Il team ha utilizzato cristalli fotonici (PC) di copolimero a blocchi 1-D (BCP) autoassemblati la cui microstruttura periodica a strati si è sviluppata spontaneamente al momento della formazione del film. Hanno quindi sviluppato strati di rete di idrogel interpenetrati chimicamente reticolati (IHN) in un microdominio PC BCP. Kang et al. controllato la quantità di rete di idrogel compenetrati nel costrutto utilizzando l'irradiazione UV per controllare il suo colore strutturale (SC) attraverso l'intero intervallo visibile. Utilizzando fotografie dei cristalli fotonici di copolimero a blocchi di rete di idrogel interpenetrati ingegnerizzati (PC IHN BCP), hanno mostrato la variazione dipendente dall'irradiazione di SC. Il film polimerico era pseudoelastico (il materiale recuperava completamente dopo aver scaricato grandi deformazioni) con un'eccellente robustezza meccanica, flessibilità e senza appiccicoso, viscoelasticità simile al gel sulla superficie superiore per renderlo adatto al rilevamento a stato solido.

Kang et al. caratterizzato ampiamente il costrutto a stato solido utilizzando la diffusione di raggi X a piccolo angolo incidente radente (GISAXS) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). I risultati hanno mostrato lo sviluppo di strutture di cristalli fotonici 1-D altamente ordinate e le loro lamelle nel piano calcolate erano coerenti con le simulazioni del dominio del tempo a differenze finite (FDTD). Per la microscopia elettronica a trasmissione in sezione trasversale, hanno usato campioni sezionati del film meccanicamente robusto tramite fresatura a fascio ionico focalizzato e hanno notato i diversi strati delle lamelle del materiale.

Le immagini TEM dei film BCP hanno mostrato dislocazioni delle viti (difetti nei cristalli) distribuite sulla superficie del campione per facilitare il trasporto di agenti liquidi e oligomerici nei film BCP. Il film BCP ha permesso alle molecole d'acqua di diffondersi attraverso dislocazioni a vite per facilitare il rilevamento senza contatto basato sull'umidità. Il team ha ottenuto ulteriori proprietà meccaniche, compreso il modulo effettivo dei PC IHN BCP utilizzando la nanoindentazione. Il materiale pseudoelastico aveva un modulo elastico effettivo che si avvicinava a 5,3 GPa, come previsto e simile a quelli osservati per i polimeri vetrosi convenzionali.

Per ottenere una visualizzazione a colori, Kang et al. utilizzato una stampante a getto d'inchiostro per la deposizione diretta di un inchiostro noto come L-etil-3-metilimidazolium bis-(trifluorometilsulfonil)-immide, EMIMTFSI abbreviato, su un film PC IHN BCP. Il colore del film dipendeva dalla quantità di EMIMTFSI depositata in una data regione. La stampante a getto d'inchiostro richiedeva solo un singolo inchiostro per la deposizione sulla pellicola PC IHN BCP, che differiva nettamente da una stampante a getto d'inchiostro commerciale con il rosso, verde, e inchiostri a tintura blu. Kang et al. prodotto una data immagine a colori programmando prima le informazioni di colore appropriate in un contrasto nero/grigio/bianco. Come prova del concetto, hanno convertito una banconota da un dollaro USA in un contrasto bianco e nero utilizzando un software, e ricostruito l'immagine a colori strutturale a colori utilizzando la stampa a getto d'inchiostro EMIMTFSI su una pellicola PC IHN BCP.

Per ulteriori applicazioni del display PC IHN BCP, Kang et al. utilizzato un altro liquido ionico igroscopico denominato sale di litio bis(trifluorometilsulfonil)ammina (LiTFSI abbreviato). Alla diffusione di questo liquido ionico nel materiale, il colore strutturale del cristallo fotonico è diventato sensibile all'umidità ambientale. Il LiTFSI ha consentito l'associazione con le molecole d'acqua affinché si verificassero variazioni strutturali del colore nell'intervallo visibile in funzione dell'umidità. L'acqua assorbita potrebbe essere diffusa in un processo reversibile. La configurazione ha permesso al dito umano con un'umidità naturale che si avvicina al 90% di essere una fonte eccellente per modulare il colore strutturale della pellicola del display, che il team ha confermato sperimentalmente. Il display di rilevamento senza contatto 3D ha funzionato con successo in più eventi di rilevamento con diverse distanze tra le dita e i cristalli fotonici. L'aumento della capacità dovuto all'assorbimento di acqua ha approssimato un tempo di risposta di 20 secondi e il cambiamento reversibile nel colore strutturale è durato 55 cicli di tempo.

In questo modo, Han Sol Kang e colleghi hanno dimostrato un display touchless 3D interattivo per l'utente basato su cristalli fotonici di copolimero a blocchi con reti di idrogel interconnesse (PC IHN BCP abbreviati). La tecnica ingegneristica ha consentito di ottenere colori strutturali a tutta visibilità meccanicamente morbidi e robusti su una pellicola con un modulo efficace. Il team ha combinato la pellicola con vari inchiostri da stampa liquidi ionici per creare display stampabili e riscrivibili per il rilevamento senza contatto 3D attraverso variazioni di capacità e colori strutturali, per dimostrare un nuovo approccio per i sensori a stato solido e i display touchless 3D.

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