نانوماده‌ای با الهام از کیریگامی که با کشش، رنگ خود را تغییر می‌دهد

رنگ ساختاری: پدیده‌ای فراتر از شیمی

در حالی که رنگ در مواد معمولی نتیجه ماهیت شیمیایی آن‌ها (مانند رنگ‌دانه‌ها یا الیاف پارچه) است، در این نانوماده جدید، ساختار میکروسکوپی ماده تعیین‌کننده رنگ است؛ پدیده‌ای که تحت عنوان «رنگ ساختاری» شناخته می‌شود. این ویژگی امکان تنظیم آسان رنگ را تنها با تغییر شکل هندسی ماده فراهم می‌سازد.

این ماده پیشرفته در واقع یک فوق‌ماده (متاماده) است که از الگوهای بسیار ریزی تشکیل شده؛ الگوهایی که حتی از ضخامت یک تار مو نیز نازک‌تر هستند. مکانیسم تغییر رنگ به این صورت عمل می‌کند:

• هنگامی که ماده کشیده می‌شود، الگوهای نانومقیاس روی سطح آن شروع به حرکت و چرخش می‌کنند.
• این جابه‌جایی و چرخش، نحوه بازتاب نور از سطح را تغییر می‌دهد.
• در نتیجه، رنگ بازتابی سطح به ترتیب از سبز به زرد و سپس به قرمز تغییر می‌کند.

این رفتار شگفت‌انگیز شبیه به عملکرد پوست یک آفتاب‌پرست است، اما در مقیاس نانو.

غلبه بر شکنندگی سیلیکون با نوآوری ساختاری

توسعه این ماده با چالش‌های فنی همراه بود، به ویژه شکنندگی سیلیکون در ابعاد ماکروسکوپی. تیم تحقیقاتی با یک تغییر رویکرد هوشمندانه توانستند بر این مشکل فائق آیند.

فریک فان خورپ، نویسنده نخست مقاله، در این باره می‌گوید: «در ابتدا با چالش بزرگی روبه‌رو بودیم. ابتدا تلاش کردیم ذرات ریز سیلیکون را روی یک بستر انعطاف‌پذیر قرار دهیم، اما خود بستر مشکلات جدیدی ایجاد می‌کرد. نقطه تحول زمانی بود که پرسیدیم: آیا اصلاً به بستر نیاز داریم؟ با تبدیل سیلیکون به یک شبکه نازک و الگو‌دار توانستیم ماده‌ای بسازیم که هم انعطاف‌پذیر باشد و هم عملکردی.»

نوآوری اصلی در چندکارکردی بودن ساختار نهفته است. جوریک فان در گروپ، سرپرست آزمایشگاه نانوفوتونیک دوبعدی، توضیح می‌دهد که چگونه الگوهای نانومقیاس روی غشای نازک سیلیکونی دو نقش حیاتی را ایفا می‌کنند:

1. متاماده مکانیکی: برای کنترل چرخش‌ها و جابه‌جایی‌های داخلی.
2. متاسطح نوری: برای پراکندگی تشدیدی نور.

ترکیب این دو عملکرد به طور هم‌زمان، منجر به ایجاد رنگ ساختاری قابل تنظیم شده است.

مسیر تولید و کاربردهای آینده

پژوهشگران پس از طراحی نهایی، اکنون در حال تلاش برای ساخت نسخه واقعی این متاسطح انعطاف‌پذیر در اتاق پاکیزه موسسه AMOLF هستند. این مرحله گامی حیاتی برای تبدیل ایده علمی به یک ماده عملی قابل استفاده در صنعت به شمار می‌رود.

تیم تحقیقاتی بر این باور است که کنترل نور از طریق حرکت مکانیکی، به جای ترکیب شیمیایی، چشم‌اندازهای جدیدی را برای فناوری‌های نسل آینده ترسیم می‌کند. کاربردهای بالقوه این فناوری شامل موارد زیر است:

• پوشش‌های رنگی که می‌توانند به صورت دلخواه تنظیم شوند.
• حسگرهای هوشمند پیشرفته.
• تجهیزات نوری بسیار سبک که قادرند خود را با شرایط محیطی تطبیق دهند.