Kalmarista inspiroitu materiaali ohjaa valon, lämmön ja mikroaaltojen siirtymistä – Physics World

Kalmarista inspiroitu materiaali ohjaa valon, lämmön ja mikroaaltojen siirtymistä – Physics World

Aikaleima: 13. heinäkuuta 2023 klo 11

Kalmarivaikutteinen materiaali
Kalmareiden inspiroima: tämän kukkaisen kohtauksen peittää elastomeerimateriaalista valmistettu kiekko. Vasemmalla puristettu materiaali estää valon. Oikealla venytetty materiaali päästää valoa läpi. (Kohteliaisuus: ACS Nano/DOI: 10.1021/acsnano.3c01836)

Kalmareiden väriä muuttavan ihon inspiroimana kiinalaiset tutkijat ovat suunnitelleet materiaalin, joka voi vaihtaa läpinäkyvän ja läpinäkymättömän säteilyn välillä näkyvällä, infrapuna- ja mikroaaltouuniaallonpituudella. Johdolla Zichuan Xu Nanyangin teknologisessa yliopistossa tiimi saavutti tuloksen ruiskuttamalla hopeaa nanolankakalvoa erikoistuneen elastomeerikaksoiskerroksen päälle.

Kalmari tunnetaan erinomaisesta kyvystään muuttaa ihonsa värejä ja kuvioita. Luonnossa he tekevät tämän kommunikoidakseen keskenään ja naamioidakseen itsensä petoeläimiltä ja saalista.

Joissakin kalmarilajeissa näitä muutoksia säätelevät erikoistuneet lihakset, jotka laajentavat ja supistavat ihoa jättäen jotkin osat venyneiksi ja kireiksi ja toiset puristuneiksi ja ryppyiksi. Tämä muuttaa valoa heijastavien ja hajottavien erikoissolujen järjestystä, ja seurauksena on muutos ihon yleisessä värissä.

Tutkimuksessaan Xun tiimi yritti jäljitellä tätä käyttäytymistä laboratoriossa käyttämällä "kaksikerroksista akryylidielektristä elastomeeriä". Tasaiseksi venytettynä materiaali on yleensä läpinäkyvä näkyvälle ja infrapunavalolle – mutta puristettaessa ilmaantuu ryppyjä, jotka vaihtelevat kunkin kaksoiskerroksen taitekerrointa.

Mekaaninen kytkentä

Ryppyjen seurauksena saapuvat näkyvät ja infrapuna-aallot heijastuvat ja siroavat elastomeerista läpi kulkemisen sijaan. Toisin sanoen materiaalia voidaan mekaanisesti vaihtaa näkyvää valoa ja säteilylämpöä lähettävän ja estävän välillä. Materiaalin alkuperäinen inkarnaatio ei kuitenkaan onnistunut estämään ja lähettämään mikroaaltoja, koska mikroaaltojen aallonpituudet ovat paljon pidempiä kuin infrapunavalo, joten materiaalin pienet rypyt eivät vaikuta mikroaalloille.

Luodakseen materiaalin, joka toimii myös mikroaaltouunissa, Xun tiimi ruiskutti elastomeeriin ohuella hopea-nanolankojen pinnoitteella. Kun he venyttivät materiaalia siihen pisteeseen, jossa se alkoi halkeilla, he huomasivat, että mikroaallot pystyivät edelleen kulkemaan suoraan läpi. Mutta kun materiaali puristui ja rypistyi -30 %:n jännityksellä, mikä tiivisti nanolankaverkkoa, saapuvat mikroaallot hajaantuivat ja heijastuivat samalla tavalla kuin näkyvät ja infrapuna-aallot, jotka estyivät alla oleva elastomeerikaksoiskerros.

Materiaalin kyky vaihtaa mekaanisesti läpinäkyvyyden ja opasiteetin välillä kattoi laajan spektriikkunan: kattaa koko näkyvän spektrin, infrapuna-aallonpituudet jopa 15.5 mikronia ja mikroaallon aallonpituudet välillä 24.2-36.6 mm. Sen rakenne oli myös erittäin kimmoisa: kesti 500 venytys- ja puristussykliä, samalla kun se reagoi näihin mekaanisiin muutoksiin alle 1 sekunnissa.

Materiaali liittyy nyt kasvavaan luetteloon luonnon inspiroimia teknologioita. Xun tiimi suunnittelee lukuisia mahdollisia sovelluksia lähitulevaisuudessa, mukaan lukien innovaatiot stealth- ja naamiointitekniikoissa. Materiaalia voitaisiin käyttää myös uudentyyppisissä älyikkunoissa, jotka pystyisivät säätelemään sekä niiden läpi kulkevaa valoa että lämpöä – parantaen siten rakennusten energiatehokkuutta.

Elastomeerillä voi olla myös lukuisia käyttötarkoituksia lääketieteellisissä laitteissa, kuten elektrokardiografeissa, jotka käyttävät iholle asetettuja elektrodeja potilaiden sydämen toiminnan seuraamiseen. Nanolangalla päällystetyn kaksikerroksisen elastomeerin avulla potilaiden elektrokardiografin signaalit voidaan estää jokapäiväistä käyttöä varten, mikä estää arkaluonteisten lääketieteellisten tietojen vuotamisen ja vaihtaa sitten läpinäkyväksi, kun lääkärin on valvottava heidän signaalejaan.

Tutkimusta kuvataan ACS Nano.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma