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Pesquisadores criam “pele artificial” que muda de cor como camaleão

Pegando emprestado um truque da natureza, engenheiros da Universidade da Califórnia em Berkeley, criaram um material incrivelmente fino que pode mudar de cor – quando solicitado – simplesmente aplicando uma pequena quantidade de força.

Este novo material de muitas cores oferece possibilidades intrigantes para uma classe inteiramente nova de tecnologias de visualização, camuflagem, e sensores que podem detectar defeitos de outra forma imperceptíveis em edifícios, pontes e aviões.

“Esta é a primeira vez que alguém fez uma pele sintética tão flexível que possa mudar de cor simplesmente aplicando pressão”, afirma Connie J. Chang-Hasnain, um membro da equipe de Berkeley e co-autor de um artigo publicado hoje na Optica, A nova revista de alto impacto da Optical Society (OSA).

Por meio de pequenas gravuras na superfície do material (menores do que o comprimento de uma onda da luz), e uma película de silício mil vezes mais fina que um fio de cabelo humano, os pesquisadores foram capazes de selecionar a gama de cores que o material deve refletir, dependendo de como ele foi flexionado e dobrado.

As cores que costuma-se ver em tintas, tecidos e outras substâncias naturais ocorrem em um largo espectro de luz que atinge sua superfície. A composição química única de cada superfície em seguida absorve várias faixas, ou comprimentos da onda de luz. Aqueles que não são absorvidos são refletidos de volta, os que possuem comprimentos de onda mais curtos dão aos objetos uma tonalidade azul e comprimentos de onda mais longos aparecem mais avermelhados e todo o arco-íris de combinações é possível entre os dois.

Controlando a cor além química

Alterar a cor de uma superfície, como as folhas das árvores no outono, requer uma mudança na composição química. Porém recentemente, engenheiros e cientistas têm explorado uma outra abordagem, que criaria cores sem o uso de corantes químicos e pigmentos. Em vez de controlar a composição química de um material, é possível controlar as características da superfície na menor das escalas para que elas interagissem e refletissem comprimentos de onda particulares da luz. Este tipo de “cor estrutural” é muito menos comum na natureza, mas é usado por algumas borboletas e besouros para criar uma exibição particularmente iridescente de cor.

Pesquisadores criam "pele artificial" que muda de cor como camaleão

Controlar a luz com as estruturas, em vez de ótica tradicional não é novidade. Em astronomia, por exemplo, fendas igualmente espaçadas conhecidas como redes de difração são usadas ​​rotineiramente para direcionar a luz e espalhá-la em suas cores componentes. Os esforços para controlar a cores com esta técnica, no entanto, já se provaram impraticáveis porque as perdas ópticas são simplesmente enormes.

Os autores do documento Optica aplicaram um princípio semelhante, embora com um design radicalmente diferente, para atingir o controle de cores que eles estavam procurando. No lugar de fendas cortadas em um filme eles gravaram linhas de sulcos em uma única camada fina de silício. Em vez de espalhar a luz em um arco-íris completo, no entanto, esses sulcos – ou barras – refletem um comprimento de onda muito específico de luz. “Ajustando” os espaços entre as barras, é possível selecionar a cor específica a ser refletida. Ao contrário das ranhuras em uma rede de difração, as barras de silício foram extremamente eficientes e refletiram prontamente a frequência de luz na qual foram sintonizadas.

Flexibilidade é a chave para o controle

Dado que o espaçamento das barras é a chave para controlar a cor refletem, os pesquisadores perceberam que seria possível mudar sutilmente o espaçamento – e, portanto, a cor – por flexão ou dobra do material.

“Se você tem uma superfície com estruturas muito precisas, espaçadas para que eles possam interagir contra um comprimento de onda específico de luz, você pode alterar suas propriedades e como ele interage com a luz, alterando suas dimensões”, disse Chang-Hasnain.

As tentativas anteriores de desenvolver uma superfície flexível, capaz de mudar sua cor ficou aquém em vários aspectos. As superfícies metálicas, que são fáceis para gravar, foram ineficientes, refletindo apenas uma porção da luz que recebiam. Outras superfícies eram muito grossas, o que limitam as suas aplicações, ou muito rígidas, impedindo-as de serem flexionadas com controle suficientemente preciso.

Os pesquisadores de Berkeley foram capazes de superar estes obstáculos através da formação de sua grade de barras usando uma camada de semicondutores de silício com cerca de 120 nanômetros de espessura. Sua flexibilidade foi dada pela incorporação das barras de silício em uma camada flexível de silicone. Como o silicone foi dobrado ou flexionado, o período dos espaçamentos da grade respondeu de acordo.

O material semicondutor também permitiu que a equipe cria-se uma “pele” que é incrivelmente fina, perfeitamente plana e fácil de fabricar com as propriedades da superfície desejados. Isto produz materiais que refletem as cores precisas de forma muito pura e que são altamente eficientes, refletindo cerca de 83 por cento da luz recebida.

O projeto inicial, submetido a uma mudança no espaçamento de apenas 25 nanômetros, criou cores brilhantes que poderiam ser deslocadas de verde para amarelo, laranja e vermelho – através de uma escala de 39 nanômetros do comprimento de onda. Em Projetos futuros os pesquisadores acreditam que pode-se cobrir uma ampla gama de cores e refletir a luz com uma eficiência ainda maior.

Pele de camaleão com múltiplas aplicações

Para esta demonstração, os pesquisadores criaram uma camada de um centímetro quadrado de “silício camaleão”. Os desenvolvimentos futuros terão a necessidade de se criar um material suficientemente grande para aplicações comerciais.

“O próximo passo é fazer este projeto em escala maior e já existe onde possa ser feito”, disse Chang-Hasnain. “Nesse ponto, nós esperamos ser capazes de encontrar aplicações em entretenimento, segurança e monitoramento.”

Para os consumidores, este material camaleão poderia ser usado em uma nova classe de tecnologias de visualização, criando apresentações em cores brilhantes para locais de entretenimento ao ar livre. Pode também ser possível criar uma camuflagem ativa sobre o exterior dos veículos que mudam de cor para coincidir melhor com o ambiente circundante.

Mais aplicações do dia-a-dia podem incluir sensores que mudam de cor para indicar que a estrutura de construções está cedendo em locais críticos como em pontes, edifícios, ou as asas de aviões.

“Esta é a primeira vez que alguém conseguiu uma ampla gama de cores em uma única camada, fina e flexível”, concluiu Change-Hasnain. “Eu acho que é muito legal.”

Referencias

  1. Li Zhu, Jonas Kapraun, James Ferrara, Connie J. Chang-Hasnain. Flexible photonic metastructures for tunable colorationOptica, 2015; 2 (3): 255 DOI:1364/OPTICA.2.000255

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Escrito por Equipe de Redação Ciências e Tecnologia

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