Cientistas desenvolvem filmes coloridos sintonizáveis para monitores e sensores
Amostra exibindo mudança de cor de rosa para verde na aplicação local de força com a ponta de uma pinça. Crédito:Alwar Samy Ramasamy Pesquisadores do Instituto Indiano de Ciência (IISc) desenvolveram filmes flexíveis que exibem cores brilhantes puramente em virtude de sua estrutura física, sem a necessidade de qualquer pigmento. Quando esticados, os filmes apresentam uma mudança de cor em resposta à deformação mecânica.
Para projetar esses filmes, a equipe desenvolveu uma nova técnica econômica e escalonável de etapa única que envolve a evaporação do metal gálio para formar partículas nanométricas em um substrato flexível. Seu método permite a fabricação simultânea de múltiplas cores estruturais que respondem a estímulos mecânicos.
A equipe também mostrou como esses filmes podem ser usados para diversas aplicações, desde bandagens inteligentes e sensores de movimento até telas refletivas.
“Esta é a primeira vez que um metal líquido como o gálio é usado para fotônica”, diz Tapajyoti Das Gupta, professor assistente do Departamento de Instrumentação e Física Aplicada (IAP) e autor correspondente do estudo publicado na Nature. Nanotecnologia .
Alguns objetos naturais como pedras preciosas, conchas de moluscos ou penas de pavão são inerentemente coloridos. Suas cores emergem da interação da luz com micro ou nanoestruturas dispostas periodicamente, como minúsculas esferas de sílica em opala, plaquetas à base de carbonato de cálcio em conchas de moluscos e fitas segmentadas no topo de estruturas cilíndricas em penas de pavão.
Amostra exibindo mudança de cor de azul para amarelo ao dobrar, em virtude da alteração das nanoestruturas de gálio. Crédito:Mark Vailshery
Materiais estruturalmente coloridos inspirados na natureza encontraram amplas aplicações em displays, eletrônicos vestíveis, sensores visuais e etiquetas antifalsificação. Nos últimos anos, os cientistas têm tentado projetar materiais que possam mudar de cor em resposta a um estímulo mecânico externo.
A equipe do IISc começou a fazer experimentos com o gálio, que ainda não foi explorado para essas aplicações porque sua alta tensão superficial dificulta a formação de nanopartículas. O gálio é um metal líquido à temperatura ambiente e foi demonstrado que suas nanopartículas têm fortes interações com a radiação eletromagnética.
O processo desenvolvido pela equipe consegue superar a barreira da tensão superficial para criar nanopartículas de gálio, ao utilizar de forma inteligente as propriedades de um substrato chamado polidimetilsiloxano (PDMS), um polímero biocompatível.
Quando o substrato foi esticado, os pesquisadores notaram algo incomum. O material passou a apresentar cores diferentes dependendo da deformação. Os pesquisadores teorizaram que o conjunto de nanopartículas de gálio depositadas interage com a luz de maneiras específicas para gerar as cores.
Para compreender o papel do substrato na geração de cores, a equipe desenvolveu um modelo matemático.
Da esquerda para a direita:Tapajyoti Das Gupta, Renu Raman Sahu, Mark Vailshery e Alwar Samy Ramasamy. Crédito:Renu Raman Sahu
PDMS é um polímero produzido pela mistura de dois componentes líquidos – um oligômero e um reticulador – que reagem entre si para formar um polímero sólido. O que os pesquisadores descobriram é que a porção do oligômero que não reagiu, que ainda está no estado líquido, desempenhou um papel crucial na estabilização da formação de nanopartículas de gálio no substrato.
Quando este substrato é então esticado, os oligômeros líquidos infiltram-se nas lacunas entre as nanopartículas, alterando o tamanho da lacuna e sua interação com a luz, resultando na mudança observada na coloração. Experimentos realizados em laboratório confirmaram as previsões do modelo. Ajustando a proporção entre o conteúdo de oligômero e o reticulador, os pesquisadores obtiveram uma gama de cores.
"Mostramos que o substrato PDMS não apenas mantém a estrutura, mas também desempenha um papel ativo na determinação da estrutura das nanopartículas de gálio e na coloração resultante", diz Renu Raman Sahu, Ph.D. estudante do IAP e autor principal. Mesmo após 80.000 ciclos de alongamento, o material foi capaz de apresentar uma mudança de cor repetível, indicando sua confiabilidade.
As técnicas convencionais, como a litografia, usadas para fabricar esses materiais, envolvem muitas etapas e são dispendiosas para serem ampliadas. Para contornar isso, a equipe desenvolveu uma técnica de deposição física de vapor em uma única etapa para evaporar o metal gálio líquido e depositá-lo no substrato PDMS. Isso lhes permitiu fabricar filmes flexíveis e estruturalmente coloridos, medindo cerca de metade do tamanho de uma palma.
Existem diversas aplicações possíveis para tais filmes. A equipe demonstrou uma dessas aplicações:um sensor de movimento corporal. Uma tira do filme, quando fixada no dedo, mudava de cor quando o dedo era dobrado, ajudando a detectar o movimento em tempo real.
Sahu diz:“No futuro, esses materiais também poderão ser usados para aplicações de coleta de energia”.
