I ricercatori dell'Indian Institute of Science (IISc) hanno sviluppato pellicole flessibili che mostrano colori brillanti esclusivamente in virtù della loro struttura fisica, senza la necessità di alcun pigmento. Una volta allungate, le pellicole mostrano un cambiamento di colore come risposta alla deformazione meccanica.
Per progettare queste pellicole, il team ha ideato una nuova tecnica economica e scalabile in un unico passaggio che prevede l'evaporazione del gallio metallico per formare particelle di dimensioni nanometriche su un substrato flessibile. Il loro metodo consente la fabbricazione simultanea di più colori strutturali che rispondono agli stimoli meccanici.
Il team ha anche dimostrato come queste pellicole possano essere utilizzate per una varietà di applicazioni, dalle bende intelligenti e sensori di movimento ai display riflettenti.
"Questa è la prima volta che un metallo liquido come il gallio viene utilizzato per la fotonica", afferma Tapajyoti Das Gupta, professore assistente presso il Dipartimento di strumentazione e fisica applicata (IAP) e autore corrispondente dello studio pubblicato su Nature Nanotecnologia .
Alcuni oggetti naturali come pietre preziose, conchiglie di molluschi o piume di pavone sono intrinsecamente colorati. I loro colori emergono dall'interazione della luce con micro o nanostrutture disposte periodicamente, come minuscole sfere di silice nell'opale, piastrine a base di carbonato di calcio nei gusci di molluschi e nastri segmentati sopra strutture cilindriche nelle piume di pavone.
I materiali strutturalmente colorati ispirati alla natura hanno trovato ampie applicazioni nei display, nell’elettronica indossabile, nei sensori visivi e nelle etichette anticontraffazione. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno cercato di progettare materiali in grado di cambiare colore in risposta a uno stimolo meccanico esterno.
Il team dell'IISc ha iniziato a sperimentare con il gallio, che non è stato esplorato per tali applicazioni perché la sua elevata tensione superficiale ostacola la formazione di nanoparticelle. Il gallio è un metallo liquido a temperatura ambiente e le sue nanoparticelle hanno dimostrato di avere forti interazioni con le radiazioni elettromagnetiche.
Il processo sviluppato dal team riesce nell'impresa di superare la barriera della tensione superficiale per creare nanoparticelle di gallio, utilizzando abilmente le proprietà di un substrato chiamato polidimetilsilossano (PDMS), un polimero biocompatibile.
Quando il substrato è stato teso, i ricercatori hanno notato qualcosa di insolito. Il materiale ha iniziato a mostrare colori diversi a seconda del ceppo. I ricercatori hanno teorizzato che la serie di nanoparticelle di gallio depositate interagisce con la luce in modi specifici per generare i colori.
Per comprendere il ruolo del substrato nella generazione del colore, il team ha sviluppato un modello matematico.
Il PDMS è un polimero ottenuto mescolando due componenti liquidi, un oligomero e un reticolante, che reagiscono tra loro per formare un polimero solido. Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che la porzione non reagita dell'oligomero, che è ancora allo stato liquido, ha svolto un ruolo cruciale nella stabilizzazione della formazione di nanoparticelle di gallio sul substrato.
Quando questo substrato viene poi allungato, gli oligomeri liquidi penetrano negli spazi tra le nanoparticelle, modificando la dimensione dello spazio e la loro interazione con la luce, determinando il cambiamento osservato nella colorazione. Gli esperimenti condotti in laboratorio hanno confermato le previsioni del modello. Regolando il rapporto tra il contenuto di oligomero e il reticolante, i ricercatori hanno ottenuto una gamma di colori.
"Abbiamo dimostrato che il substrato PDMS non solo mantiene la struttura, ma svolge anche un ruolo attivo nel determinare la struttura delle nanoparticelle di gallio e la colorazione risultante", afferma Renu Raman Sahu, Ph.D. studente in IAP e autore principale. Anche dopo 80.000 cicli di allungamento, il materiale è stato in grado di mostrare un cambiamento di colore ripetibile, indicandone l'affidabilità.
Le tecniche convenzionali come la litografia utilizzata per fabbricare tali materiali comportano molti passaggi e sono costose da ampliare. Per aggirare questo problema, il team ha ideato una tecnica di deposizione fisica da vapore in un unico passaggio per far evaporare il gallio metallico liquido e depositarlo sul substrato PDMS. Ciò ha permesso loro di fabbricare pellicole flessibili e strutturalmente colorate che misuravano circa la metà delle dimensioni di un palmo.
Esistono varie applicazioni possibili per tali film. Il team ha dimostrato una di queste applicazioni:un sensore di movimento del corpo. Una striscia di pellicola, una volta attaccata al dito, cambiava colore quando il dito veniva piegato, aiutando a percepire il movimento in tempo reale.
Sahu afferma:"In futuro, questi materiali potrebbero essere utilizzati anche per applicazioni di raccolta di energia."
Ulteriori informazioni: Renu Raman Sahu et al, Fabbricazione in un unico passaggio di nanoparticelle di gallio liquido tramite interazione capillare per colori strutturali dinamici, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01625-1
Sahu RR, Das Gupta T, Fabbricazione di nanostrutture di gallio meccanocromico mediante interazioni capillari, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01630-4
Fornito dall'Indian Institute of Science
