پوست هوشمند با قابلیت تغییر رنگ با الهام از پوست آفتاب پرست
آفتاب پرست می تواند رنگ پوست خود را تغییر دهد و برای پنهان شدن در پس زمینه، یا برای دفاع از قلمرو خود و جلب همسر، از آن استفاده کند. آفتاب پرست با استفاده از کریستال های فوتونی در پوست خود، این ترفند به ظاهر آسان را انجام می دهد. با این حال دانشمندان تلاش کرده اند که یک کریستال فوتونیک ” پوست هوشمند ” ایجاد کنند که در پاسخ به محیط، تغییر رنگ می دهد، بدون اینکه در اندازه نیز تغییر کند.
مجله ACS Nano در حال انتشار تحقیقات به رهبری شیمی دانان در دانشگاه اموری (Emory) است که راه حلی برای این مشکل پیدا کرده اند. آن ها پوستی هوشمند و قابل انعطاف ایجاد کردند که با حفظ حجم خود، در برابر گرما و نور خورشید واکنش نشان می دهد.
یکسیائو دونگ، نویسنده اول، دانشجوی دکترا در شیمی دانشگاه اموری می گوید: “مشاهده تغییر رنگ آفتاب پرست، این ایده را برای به من داد. ما بر اساس مشاهدات چگونگی انجام این کار در طبیعت، یک مفهوم جدید برای پوست هوشمند با قابلیت تغییر رنگ، ایجاد کرده ایم.”
خالد سالیتا، نویسنده ارشد همچنین می افزاید: “دانشمندان در زمینه بلورهای فوتونیک مدت هاست که تلاش می کنند پوست های هوشمند با توانایی تغییر رنگ را برای طیف وسیعی از کاربردهای بالقوه مانند استتار، سنجش شیمیایی و برچسب های ضد جعل ایجاد کنند. در حالی که کار ما هنوز در مراحل اولیه است، ما اصولی را برای یک رویکرد جدید برای کشف و ساختن آن، پایه گذاری کرده ایم.”
نویسندگان همکار مقاله شامل آلیسینا بذرافشان و دیل کامبز (دانشجویان دکتری اموری)، کیمبرلی کلارک و گروهی از مهندسین پزشکی بیولوژیک بودند.
علاوه بر آفتاب پرست ها، بسیاری از موجودات دیگر توانایی تغییر رنگ دارند. به عنوان مثال، نوارهای روی ماهی نئون تترا، از نیلی تیره به آبی متمایل به سبز در هنگام شنا در زیر آفتاب تبدیل می شوند.
رنگ آمیزی در این ارگانیسم ها بر اساس رنگدانه ها نیست، بلکه بر روی ذرات ریز در یک الگوی تکرار شونده، معروف به بلورهای فوتونی است. تناوب در این ذرات باعث تداخل ماده در طول موج نور می شود. اگرچه ذرات خود بی رنگ هستند، اما فاصله دقیق بین آن ها باعث می شود امواج نوری مشخصی در ضمن رد دیگران از میان آن ها عبور کنند.
رنگ های قابل مشاهده تولید شده، بسته به عواملی مانند شرایط روشنایی یا تغییر فاصله بین ذرات تغییر می کند. رنگ آبی بال های برخی پروانه ها و پرهای طاووس از نمونه های دیگر از بلورهای فوتونی در طبیعت است.
دونگ توضیح می دهد: اگر توت فرنگی را درون مخلوط کن قرار دهید، مایعی قرمز حاصل خواهد شد زیرا رنگ توت فرنگی از رنگدانه حاصل می شود. اگر بال های پروانه ی Iridescent را خرد کنید، با این حال، نتیجه آن یک پودر خواهد بود زیرا این رنگ های رنگین کمانی بر اساس رنگدانه ها نیستند بلکه به عنوان “رنگ ساختاری” شناخته شده اند.
نوشته مرتبط: پیوند صورت – تغییر چهره از تخیل تا واقعیت
ساختار آرایه های بلوری فوتونی هنگامی که بال های پروانه به هم می رسند از بین می روند.
برای تقلید از آفتاب پرست ها و ایجاد یک پوست هوشمند مصنوعی، دانشمندان با آرایه های بلوری فوتونی تعبیه شده در پلیمرهای انعطاف پذیر و حاوی آب یا هیدروژل ها آزمایش انجام داده اند. گسترش یا انقباض هیدروژل فاصله بین آرایه ها را تغییر می دهد و در نتیجه تغییر رنگ ایجاد می شود.
با این وجود، مسئله این است که عمل شبیه آکاردئون مورد نیاز برای ایجاد تغییر قابل توجه رنگ ها، باعث می شود که هیدروژل به اندازه قابل توجهی بزرگ یا کوچک شود و منجر به بی ثباتی ساختاری و کمانش (تغییر شکل جانبی ناگهانی در یک عضو سازه‌ای) مواد شود.
دونگ هنگام تماشای فیلم های آفتاب پرست ها بسیار دقیق بود. او می گوید: “می خواستم بدانم كه چرا سایز آفتاب پرست ها هنگام تغییر رنگ، بزرگ تر یا كوچک تر نمی شود و در اندازه اصلی خود باقی می ماند.”
دونگ در تصاویر نزدیک و تایم لپس (فیلم های با سرعت بالا) از تغییر رنگ های آفتاب پرست، متوجه شد که آرایه های بلورهای فوتونی، کل پوست را نمی پوشانند بلکه درون یک ماتریس تاریک پخش می شوند.
همانطور که بلورهای فوتونی رنگ های مختلفی به خود می گرفتند، این تکه های رنگ از هم فاصله داشتند. دونگ فرض کرد سلول های پوستی که ماتریس تاریک را تشکیل می دهند به گونه ای تنظیم شده اند تا جابجایی در بلورهای فوتونی را جبران کنند.
دونگ می گوید: “من نمی دانم آیا می توانیم چیزی مشابه را طراحی کنیم — ساختار کامپوزیتی از آرایه های بلوری فوتونیک که در یک ماتریس مناسب برای کرنش (تغییر شکل یک جسم با توجه به جابجایی نسبی ذرات) تعبیه شده اند.”
محققان برای ترتیب دادن الگوهای کریستال های فوتونی حاوی اکسید آهن در یک هیدروژل از آهن ربا استفاده کردند. آن ها سپس این آرایه ها را در یک هیدروژل بدون تغییر رنگ دوم قرار دادند. سپس، هیدروژل کشسان از نظر مکانیکی با اولین هیدروژل مطابقت داشت تا جابجایی ها را در فاصله بین بلورهای فوتونی جبران کند. با گرم شدن، این پوست هوشمند حاوی کرنش (SASS) رنگ را تغییر می دهد اما اندازه تقریبا ثابت را حفظ می کند.
دونگ همچنین این ماده را در نور آفتاب آزمایش کرده و فیلم های پوست هوشمند حاوی کرنش را به شکل ماهی، مانند تترا نئون و همچنین به شکل یک برگ آزمایش می کند. هنگامی که به مدت ۱۰ دقیقه در معرض نور طبیعی خورشید قرار گرفتند، فیلمهای پوست هوشمند حاوی کرنش بدون تغییر در اندازه، از نارنجی به سبز تغییر رنگ دادند.
دونگ می گوید: “ما یک چارچوب کلی برای راهنمایی در مورد طراحی آینده پوست هوشمند مصنوعی ارائه داده ایم. هنوز راه درازی برای برنامه های کاربردی در زندگی واقعی وجود دارد، اما برداشتن قدمی رو به جلو در این زمینه بسیار هیجان انگیز است.”
باز نشر مطالب سایت بدون ذکر نام و لینک فعال مطلب سایت پیتونیک ممنوع است و شامل پیگرد قضایی می شود.
مرجع
