Imagine esticar um pedaço de filme para revelar uma mensagem oculta. Ou verificar a cor de uma braçadeira para medir a massa muscular. Ou vestindo um maiô que muda de tom conforme você dá voltas. Esses materiais que mudam de cor e semelhantes a camaleões podem estar no horizonte, graças a uma técnica fotográfica que foi ressuscitada e reaproveitada por engenheiros do MIT.
Ao aplicar uma técnica de fotografia colorida do século 19 a materiais holográficos modernos, uma equipe do MIT imprimiu imagens em grande escala em materiais elásticos que, quando esticados, podem transformar sua cor, refletindo diferentes comprimentos de onda à medida que o material é tensionado.

Os pesquisadores produziram filmes elásticos impressos com buquês de flores detalhados que mudam de tons quentes para mais frios quando os filmes são esticados. Eles também imprimiram filmes que revelam a impressão de objetos como um morango, uma moeda e uma impressão digital.

Os resultados da equipe fornecem a primeira técnica de fabricação escalável para produzir materiais detalhados em larga escala com "cor estrutural" - cor que surge como consequência da estrutura microscópica de um material, e não de aditivos químicos ou corantes.

"Escalar esses materiais não é trivial, porque você precisa controlar essas estruturas em nanoescala", diz Benjamin Miller, estudante de pós-graduação do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Agora que superamos esse obstáculo de dimensionamento, podemos explorar questões como:podemos usar esse material para fazer pele robótica que tenha uma sensação de toque humana? E podemos criar dispositivos sensíveis ao toque para coisas como realidade aumentada virtual ou treinamento médico? É um grande espaço que estamos olhando agora."

Os resultados da equipe aparecem hoje em Nature Materials . Os co-autores de Miller são Helen Liu, estudante do MIT, e Mathias Kolle, professor associado de engenharia mecânica do MIT.

Acidente do holograma

O grupo de Kolle desenvolve materiais ópticos inspirados na natureza. Os pesquisadores estudaram as propriedades refletoras de luz em conchas de moluscos, asas de borboletas e outros organismos iridescentes, que parecem brilhar e mudar de cor devido a estruturas de superfície microscópicas. Essas estruturas são anguladas e em camadas para refletir a luz como espelhos coloridos em miniatura, ou o que os engenheiros chamam de refletores de Bragg.

Grupos como o de Kolle têm procurado replicar essa cor natural e estrutural em materiais usando uma variedade de técnicas. Alguns esforços produziram pequenas amostras com estruturas em nanoescala precisas, enquanto outros geraram amostras maiores, mas com menor precisão óptica.

Como a equipe escreve, "uma abordagem que oferece tanto [controle em microescala quanto escalabilidade] permanece indescritível, apesar de vários aplicativos potenciais de alto impacto".

Enquanto se perguntava como resolver esse desafio, Miller visitou o Museu do MIT, onde um curador conversou com ele sobre uma exposição sobre holografia, uma técnica que produz imagens tridimensionais sobrepondo dois feixes de luz em um material físico.

“Percebi que o que eles fazem na holografia é a mesma coisa que a natureza faz com a cor estrutural”, diz Miller.

Essa visita o estimulou a ler sobre holografia e sua história, o que o levou de volta ao final de 1800, e fotografia Lippmann – uma técnica de fotografia colorida inicial inventada pelo físico franco-luxemburguês Gabriel Lippmann, que mais tarde ganhou o Prêmio Nobel de Física pela técnica.

Lippmann gerou fotos coloridas primeiro colocando um espelho atrás de uma emulsão muito fina e transparente – um material que ele inventou a partir de minúsculos grãos sensíveis à luz. Ele expôs a configuração a um feixe de luz, que o espelho refletiu de volta através da emulsão. A interferência das ondas de luz de entrada e saída estimulou os grãos da emulsão a reconfigurar sua posição, como muitos espelhos minúsculos, e refletir o padrão e o comprimento de onda da luz exposta.

Usando essa técnica, Lippmann projetou imagens estruturalmente coloridas de flores e outras cenas em suas emulsões, embora o processo fosse trabalhoso. Envolvia a confecção manual das emulsões e a espera de dias para que o material fosse suficientemente exposto à luz. Devido a essas limitações, a técnica em grande parte desapareceu na história.

A modern twist

Miller wondered if, paired with modern, holographic materials, Lippmann photography could be sped up to produce large-scale, structurally colored materials. Like Lippmann's emulsions, current holographic materials consist of light-sensitive molecules that, when exposed to incoming photons, can cross-link to form colored mirrors.

"The chemistries of these modern holographic materials are now so responsive that it's possible to do this technique on a short timescale simply with a projector," Kolle notes.

In their new study, the team adhered elastic, transparent holographic film onto a reflective, mirror-like surface (in this case, a sheet of aluminum). The researchers then placed an off-the-shelf projector several feet from the film and projected images onto each sample, including Lippman-esque bouquets.

As they suspected, the films produced large, detailed images within several minutes, rather than days, vividly reproducing the colors in the original images.

They then peeled the film away from the mirror and stuck it to a black elastic silicone backing for support. They stretched the film and observed the colors change—a consequence of the material's structural color:When the material stretches and thins out, its nanoscale structures reconfigure to reflect slightly different wavelengths, for instance, changing from red to blue.

The team found the film's color is highly sensitive to strain. After producing an entirely red film, they adhered it to a silicone backing that varied in thickness. Where the backing was thinnest, the film remained red, whereas thicker sections strained the film, causing it to turn blue.

Similarly, they found that pressing various objects into samples of red film left detailed green imprints, caused by, say, the seeds of a strawberry and the wrinkles of a fingerprint.

Interestingly, they could also project hidden images, by tilting the film at an angle with respect to the incoming light when creating the colored mirrors. This tilt essentially caused the material's nanostructures to reflect a red-shifted spectrum of light. For instance, green light used during material exposure and development would lead to red light being reflected, and red light exposure would give structures that reflect infrared—a wavelength that is not visible to humans. When the material is stretched, this otherwise invisible image changes color to reveal itself in red.

"You could encode messages in this way," Kolle says.

Overall, the team's technique is the first to enable large-scale projection of detailed, structurally colored materials.

Indeed, Kolle notes that the new color-changing materials are easily integrated into textiles.

"Lippmann's materials wouldn't have allowed him to even produce a Speedo," he says. "Now we could make a full leotard."

Beyond fashion and textiles, the team is exploring applications such as color-changing bandages, for use in monitoring bandage pressure levels when treating conditions such as venous ulcers and certain lymphatic disorders. + Explorar mais

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