Med udgangspunkt i en stort set glemt fotografiteknik har forskere i USA udviklet et fotografisk materiale, der skifter farve, når det strækkes. Ved at arbejde på Massachusetts Institute of Technology (MIT) viste holdet, hvordan farvebilleder kan skabes ved at ændre filmens nanoskalastruktur. Disse strukturer reflekterer lys ved forskellige bølgelængder, som ændrer sig, når filmen strækkes. Forskerne siger, at deres metode tilbyder en billig, skalerbar tilgang til at skabe nye optiske materialer.
Strukturelle farver er almindelige i naturen, og velkendte eksempler omfatter fjerene fra nogle fugle og vingerne på nogle sommerfugle. I stedet for at bruge pigmenter, er strukturelle farver skabt af interferens af lys, der er blevet reflekteret fra mikroskopisk teksturerede overflader. Resultatet er, at visse farver er synlige ved bestemte betragtningsvinkler, mens andre farver ikke er det. Et beslægtet fænomen kaldet iriscens opstår, når den strukturelle farve på et objekt ændres med synsvinklen.
I dag undersøger forskere, hvordan strukturelle farver kan bruges i avancerede optiske materialer. Imidlertid er de passende nanoskalastrukturer ofte dyre og komplekse at fremstille, især i store skalaer.
Nobelvindende teknik
Nu, MIT's Benjamin Miller, Helen Liu og Mathias Kolle har udviklet en potentiel løsning på denne begrænsning. Den er baseret på en tidlig fotografisk teknik, som først blev udviklet af den franske fysiker Gabriel Lippmann, og som gav ham Nobelprisen i fysik i 1908. For at tage billeder placerede Lippmann en tynd, gennemsigtig emulsion af små, lysfølsomme korn mellem to glasplader. Et spejl er placeret bag bagpladen, så det reflekterer lyset, der passerer gennem emulsionen.
Når de udsættes for en visuel scene, forstyrrer indfaldende lysbølger, der kommer ind i emulsionen, deres refleksioner. Dette producerer stående bølger i emulsionen, der gradvist ændrer kornenes nanoskala-arrangementer. Dette forårsager periodiske variationer i filmens brydningsindeks, der fanger optisk information fra den visuelle scene. Efter op til flere dages eksponering er placeringen af kornene fikset, og resultatet er et farvebillede af scenen – et billede, der ligner et moderne hologram.
Imidlertid var Lippmanns proces mere tidskrævende og vanskelig end andre farvefotograferingsteknikker, der dukkede op på det tidspunkt, og er derfor stort set blevet glemt. Nu har Kolle og kollegaer genbesøgt teknikken ved hjælp af moderne holografiske materialer.
Lysfølsom polymer
MIT-trioen begyndte med at placere et tyndt ark af en elastisk, lysfølsom polymer mod et spejl og udsætte det for et lyst projiceret billede. Ligesom med Lippmanns tilgang skabte dette et mønster af stående bølger, som ændrede filmens brydningsindeks. Efter blot et par minutters eksponering limede de derefter filmen til en silikonebagside, hvilket skabte store og detaljerede farvebilleder.
Hurtigt skiftende strukturelle farver kunne bruges i videoskærme med lav effekt
Da de strakte filmen – ved at trække i den eller trykke genstande ind i den – forvrænges nanostrukturerne på en reversibel måde. Denne forvrængning ændrer farven på det lys, der reflekteres af filmen (se figur). Når holdet lavede en helt rød film, kunne der skabes grønne billeder ved at trykke objekter på bagsiden af filmen.
Holdet kunne også skjule hemmelige billeder i en film ved at fange billedet i en skrå indfaldsvinkel. Det resulterende billede er kun synligt i det nære infrarøde - som ikke kan ses af det menneskelige øje. Men når materialet strækkes, flyttes billedet mod det røde og bliver synligt.
Kolle og team håber, at deres hurtige, skalerbare og overkommelige produktionsteknik snart kan føre til praktiske optiske materialer, der reagerer på mekaniske stimuli. Ud over kodning af hemmelige beskeder omfatter andre applikationer tøjstoffer, der skifter farve, når de strækkes; og bandager, der skifter farve, efterhånden som trykket på et sår ændres.
Forskningen er beskrevet i Nature Materials.
