Трик от времената на динозаврите: Учените се научиха как да програмират цветовете чрез прецизно копиране на природата

Питали ли сте се понякога защо крилото на пеперудата или перото на пауна блестят на слънцето с всички цветове на дъгата? Сякаш те съдържат хиляди малки скъпоценни камъни. Но в тях няма пигмент като в боите. Тайната е във физиката. Тя се нарича структурно оцветяване и природата я усъвършенства от половин милиард години. А съвсем наскоро екип от ирландски учени заяви: ние не само разгадахме този трик, но и се научихме да го контролираме.

Това откритие не е просто красива научна история. То отваря вратата към създаването на материали, за които досега сме чели само в научната фантастика.

Какво е структурният цвят и защо е толкова трудно да се копира?

Нека се спрем по-подробно на въпроса. Повечето от цветовете, които виждаме около нас, са резултат от използването на пигменти. Пигментните молекули поглъщат всички светлинни вълни с изключение на една, която отразяват. Червеният пуловер изглежда червен, защото багрилото му поглъща синята и зелената светлина и отразява червената.

Но структурният цвят действа по различен начин. Представете си не багрило, а микроскопичен лабиринт от хребети, вдлъбнатини и слоеве. Когато светлината попадне върху тази структура, тя започва да се отразява, пречупва и интерферира по причудливи начини. Някои светлинни вълни се неутрализират взаимно, а други се усилват. В резултат на това виждаме чист, ярък и преливащ се цвят, който не зависи от химическия състав, а единствено от геометрията на повърхността. Ето защо цветовете на крилото на пеперудата се променят, когато го гледате от различни ъгли.

Звучи елегантно, нали? Но възпроизвеждането на този механизъм е изключително трудна задача. Целият проблем се състои в управлението на хаоса на микроравнище. За да се създаде подобен ефект, е необходимо да се принудят милиарди наночастици (в случая наносфери) да се подредят в съвършен, строго подреден модел. Този процес се нарича самосглобяване и учените от десетилетия се мъчат да го накарат да работи по предсказуем начин. Това е все едно да се опиташ да построиш кристален дворец, като разклащаш кутия с песъчинки.

Ирландският пробив: 3D принтер за дъги.

И тук се намесва екипът на професор Колм Дилейни от Тринити Колидж. Вместо да се опитват да „убедят“ наносферите да се сглобят правилно, те решават да ги… накарат.

^{а) Синтез на наночастици чрез емулсионна полимеризация. b) Схематично представяне на процеса DLW, показващо химическия състав на фоторезист 1 (горе) и самоорганизиращите се наночастици в него (долу). c) 3D дизайн на структурата на бръмбара скарабей. d) Микроструктурно изображение на структурно оцветен бръмбар скарабей, изработен с фоторезист 1, хидратиран в дейонизирана (DI) вода, получено с помощта на оптичен микроскоп в тъмно поле (мащабната лента съответства на 20 μm). e) Съответното SEM изображение с вмъкнато увеличение, показващо самоорганизиращите се наночастици (PNP1).}

Какъв е трикът? Учените са използвали усъвършенствана технология за 3D печат със суперразделителна способност. Но те не са отпечатали самия цветен материал. Те са създали миниатюрен „кофраж“ или скелет – шаблон с перфектна нано-архитектура. След това в този шаблон били поставени наносферите, на които не им оставало нищо друго, освен да заемат определените им места и да се подредят в желания модел. Контролирайки геометрията на тази рамка, изследователите успяват да „програмират“ крайния цвят. Искате синьо? Няма проблем. Искате зелено? Просто променяте параметрите на печат.

По същество екипът, ръководен от Теодора Фараоне, докторант по проекта, е създал първия в света инструмент за фина настройка на естествените оптични ефекти. И за да се увери, че всичко работи точно както е замислено, д-р Джинг Циан е провел подробни компютърни симулации, за да потвърди, че наносферите се държат точно както са проектирани.

^{Конструкция на структурно оцветена микроматрица. а) CAD модел на колонката (височината = диаметъра = 30 µm), илюстриращ разстоянието между срезовете (SL) и штриховането (HD). b) Микроскопско изображение в тъмното поле на матрица от 5 x 5 колонки, хидратирана в дейонизирана вода, изработена с фоторезист 1 (60%, 10000 µm s-1). c) Схема, показваща разпадането на PNP в изработените композитни микроструктури по време на разработката и хидратацията, когато (горе) е използвана малка стойност на разреза (т.е. SL = 0,1 μm) в сравнение с това, когато (долу) е използвана по-голяма стойност на разреза (т.е. SL = 0,5 μm) по време на DLW. (d) λmax (nm) като функция на разстоянието на разрязване или изрязване (μm). (e, f) Спектри на разсейване, съответстващи на маркираните ленти в панел b. (g) Съответната диаграма по CIE 1931. Мащабът в (b) съответства на 100 µm.}

За какво са ни необходими програмируемите цветове? От сензорите до медицината

Най-интересната част започва, когато си зададем въпроса: каква е целта на всичко това? Дали само за да създадем красиви блестящи покрития? Не, потенциалът на технологията е много по-дълбок.

Ключовото свойство на новия материал е неговата изключителна чувствителност. Тъй като цветът се определя от съвършена наноструктура, най-малката промяна в околната среда – например появата на само една нова молекула, промяна в температурата или киселинността – нарушава този съвършен ред. Това означава, че цветът се променя мигновено.

Това открива фантастични възможности:

• Свръхчувствителни сензори. Представете си миниатюрна лепенка, която променя цвета си, когато влезе в контакт с определен замърсител във въздуха или водата. Или етикет на храна, който преминава от зелено в червено много преди храната да започне да се разваля, реагирайки на първите молекули на разпадане.
• Биомедицинска диагностика. Екипът вече работи по проекта IV-Lab, който има за цел да създаде имплантируеми микросензори. Това би могло да бъде миниатюрно устройство под кожата на диабетик, което променя цвета си (видим чрез специален скенер) при колебания в нивата на кръвната захар. Или имплант, който следи в реално време биохимичните маркери на възпалението или възстановяването на тъканите след операция. Всичко това – без да е необходимо да се правят тестове.

Бъдещето е по-светло и по-интересно

Както отбелязва професор Дилейни, този успех е възможен само благодарение на съвместните усилия на химици, физици и специалисти по материалознание. Необходима е комбинация от фундаментални познания за поведението на светлината (физика), способност за създаване на подходящи материали (химия) и способност за проектиране на микроравнище (инженерство).

И така, 500 милиона години след като природата за първи път „изобретява“ структурния цвят, човечеството най-накрая намери ключа към него. И сега този древен механизъм е готов да ни служи в най-съвременните технологии.

От древните пера до медицинските сензори от следващо поколение – бъдещето на цветовете става не само по-ярко, но и удивително миниатюрно. И изглежда, че сме едва в самото начало на това пътуване.