Sıvı Kristallerden Bir Polimer Ağı Kullanan Aktif Kamuflaj

Araştırmacıların yapay kromatoforları, pnömatik pompalara bağlı dairesel boşluklar üzerine gerilmiş zarlardan oluşuyor. Boşluğa basınç uygulamak zarı gererek içindeki sarmal şeklindeki sıvı kristalin perdesini değiştirir. Çap, basınç, adım ve renk arasındaki ilişkiyi ilişkilendiren araştırmacılar, son çalışmalarından bu gösteride rengini çevreleyen desene uyacak şekilde değiştirerek her bir oyuğa piksel gibi davranabiliyorlar. Kredi: Pennsylvania Üniversitesi

Hayvanlar alemi, aktif kamuflajlı yaratıklarla doludur. Sıkıcı bir kum ve kaya yığını gibi görünen şey, aslında parlak renkli bir kalamar olabilir, derilerinde genişleyen ve büzülen yapılar, canlı mavi ve sarı yerine kahverengi ve gri tonlarını ortaya çıkarır. Kromatoforlar olarak bilinen bu hücreler, dış uyaranlara tepki olarak iç yansıtıcı plakaları genişletebilir ve geri çekebilir, bu da hayvanın çevrelerindeki renk ve desenlere uymasını ve bir anda kaybolmasını sağlar.

Şimdi, Pennsylvania Üniversitesi Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndaki araştırmacılar, bu tür aktif kamuflajdan ilham alıyorlar. Bu araştırmacılar, sarmal şekillerde düzenlenmiş bir polimer sıvı kristal ağından yapılmış ince, esnek zarlar kullanarak, komut üzerine renkleri anında - yakın kızılötesinden görünürden morötesine kadar değiştirebilen bir tür yapay kromatofor geliştirdiler.

Her bir yapay kromatoforun bir piksel gibi hareket etmesiyle, araştırmacıların prototipi, bir kamuflaj efekti elde etmek için çevredeki renk ve dokuyu eşleştirebiliyor. Kredi: Pennsylvania Üniversitesi

Bu membranlar, her biri hassas bir basınca pnömatik olarak şişirilebilen bir ızgara şeklinde düzenlenmiş küçük boşlukların üzerine yerleştirilmiştir. Bir boşluk şiştiğinde, zar gerilir, kalınlığı küçülür ve görünen rengi değişir.

Kritik olarak, bu etkiyi elde etmek için bu zarların çok fazla gerilmesine gerek yoktur. Nazik bir dokunuşa eşdeğer miktarda basınç kullanarak, renkleri görünür spektrumdaki herhangi bir şeye değiştirilebilir. Benzer mekanizmalar kullanan renk değiştiren malzemelerin tarihsel olarak kırmızıdan maviye geçmek için yüzde 75 oranında deforme olması gerekiyordu, bu da ekranlar veya pencereler gibi sabit boyutlu ortamlarda kullanılmalarını imkansız hale getiriyordu.

Araştırmacıların yapay kromatoforları, aynı etkiyi elde etmek için yüzde 20'den daha az deformasyona ihtiyaç duyduğundan, bir LCD monitörde pikseller gibi düzenlenebilirler. Ve araştırmacıların sistemindeki katmanlı sıvı kristaller kendi yansıtıcı renklerine sahip olduklarından, arkadan aydınlatmaya ihtiyaç duymazlar ve dolayısıyla doğal olarak canlı görünümlerini korumak için sürekli bir güç kaynağına ihtiyaç duymazlar.

Araştırmacıların prototip ekranlarının her biri yalnızca birkaç düzine piksele sahipken, renk değiştirme yeteneklerinin arkasındaki ilkeyi gösteren bir çalışma, mimari, robotik, sensörler ve diğer alanlardaki uygulamaların yanı sıra çeşitli kamuflaj tekniklerindeki potansiyellerini ortaya koyuyor.

Nature Materials dergisinde yayınlanan çalışma, Joseph Bordogna Profesörü ve Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölüm Başkanı Shu Yang ve o zamanlar laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Se-Um Kim tarafından yönetildi. Yang laboratuvar üyeleri Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim ve Haihuan Wang da araştırmaya katkıda bulundu.

Yang, "Laboratuvarımız, mekanik kuvvetler kullanılarak nasıl değiştirileceği de dahil olmak üzere, yapısal renkle her zaman ilgilendi" diyor. "Örneğin, daha önce renk değiştiren bir polimerin askerlerde ve atletlerde travmatik beyin yaralanmalarına işaret edebileceğini göstermiştik. Bazı hayvanların yapısal renkleri nasıl geliştirdiğine baktığımızda, onların bir ekranda pikseller gibi çalışan esnek hücrelere sahip olduklarını ve potansiyel olarak benzer bir yaklaşım benimseyebileceğimizi fark ettik.”

Kelebek kanatlarına ve tavus kuşu tüylerine yanardönerlik veren, genellikle pigment veya boya bazlı renklerden daha parlak olan yapısal renk, ışık bir yüzeyin mikroskobik özellikleriyle etkileşime girdiğinde üretilir. Araştırmacıların ekranları söz konusu olduğunda, bu özellikler “ana zincirli kiral nematik sıvı kristal elastomerler” veya MCLCE'ler olarak bilinen bir malzeme sınıfında bulunur. Sıvı kristaller özünde anizotropik malzemelerdir, yani özellikleri yön yönelimlerine göre değişir. MCLCE'lerin sarmal şekli, sarmalın eğimi kolayca değiştirilebildiğinden, büyük ve elastik anizotropiye izin verir.

Ekrandaki boşluk şişirildiğinden MCLCE zarı gerilir. Bu, bir yayı sıkıştırmaya benzer şekilde, zar içindeki sıvı kristal sarmalın perdesini azaltır ve izleyiciye yansıyan ışığın dalga boyunu değiştirir.

Araştırmacılar, her bir yapay kromatoforu istenen renge getirmek için gereken tam basıncı çizerek, onları bir ekrandaki pikseller gibi programlayabildiler. Bu kontrol seviyesi, her piksel için ayrı pnömatik pompalar olmadan da mümkündür.

"Basit bir işlemle aynı anda kırmızı, yeşil ve mavi rengi oluşturmak istedim" diyor Kim, "böylece farklı genişlikteki boşlukları aynı hava kanalına bağladım. Bu, aynı baskıya maruz kalmasına rağmen, deformasyon derecesinin ve rengin pikselden piksele değişerek genel cihazın karmaşıklığını azalttığı anlamına geliyor.”

Aynı hava pompasına birden fazla piksel bağlanabilir, bu da daha karmaşık ekranlara olanak tanır. Kredi: Pennsylvania Üniversitesi

Araştırmacıların prototipi, yalnızca iki hava kanalı kullanarak, çevreleyen bir yüzeyin gölgesi ve dokusuyla eşleşen 7'ye 5 dama tahtası desenleri üretebilir. Yedi kanalla, LCD saatlerinde bulunan yedi bölümlü renkli ekranların tarzında rakamları işleyebilirler.

Araştırmacılar, MCLCE'lerin benzersiz mekanokromik performansının, malzemenin nispeten basit mekanizmasına rağmen oldukça hassas ve karmaşık olan yeni biyomimetik fotonik cihazların ve sensörlerin yaratılmasına ilham vereceğine inanıyor. Ayrıca, renk değiştirerek ortam sıcaklıklarına tepki veren "akıllı" pencerelerin yanı sıra 3D ekranları da göstermeyi planlıyorlar.

Referans: Se-Um Kim, Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim, Haihuan Wang ve Shu Yang, 6 Eylül 2021, Nature Materials .
DOI: 10.1038/s41563-021-01075-3

Araştırma, Pennsylvania Üniversitesi Malzeme Araştırma Bilimi ve Mühendisliği Merkezi (MRSEC) (DMR-1720530) aracılığıyla Amerikan Kimya Derneği (ACS)/Petrol Araştırma Fonu (#573238) ve Ulusal Bilim Vakfı (NSF) Bağışçıları tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, Pensilvanya Üniversitesi'ndeki Maddenin Yapısı Araştırma Laboratuvarı aracılığıyla NSF/MRSEC(DMR-1720530) tarafından desteklenen taramalı elektron mikroskobunun ve Çift Kaynaklı ve Çevresel X-ışını Saçılımının kullanıldığını kabul eder. Ekipman satın alımı, bir NSF MRI hibesi (17-25969), bir ARO DURIP hibesi (W911NF-17-1-0282) ve Pennsylvania Üniversitesi tarafından mümkün olmuştur.