印度開(kāi)發(fā)出一種用于顯示器和傳感器的可調諧彩色薄膜

據麥姆斯咨詢(xún)報道，近日，印度科學(xué)研究所（Indian Institute of Science，簡(jiǎn)稱(chēng)“IISc”）的研究團隊開(kāi)發(fā)出一種柔性可調諧彩色薄膜，該薄膜不需要任何顏料，僅憑其物理結構的變化就可呈現出明亮的顏色。當其被拉伸時(shí)，薄膜的顏色隨著(zhù)機械變形而發(fā)生變化。

為了設計出這類(lèi)可調諧薄膜，研究團隊首先開(kāi)發(fā)了一種高成本效益的新型可擴展單步工藝技術(shù)，該技術(shù)的核心是蒸發(fā)金屬鎵（Ga），以在柔性襯底上形成納米顆粒。該方法可同時(shí)制造能夠響應機械刺激的多種結構色。

印度科學(xué)研究所的研究團隊還展示了這類(lèi)可調諧薄膜的各種應用案例，從智能繃帶、運動(dòng)傳感器到反射式顯示器等。

上述研究工作以“Single-step fabrication of liquid gallium nanoparticles via capillary interaction for dynamic structural colours”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上，論文的通訊作者、印度科學(xué)研究所儀器與應用物理系（IAP）的助理教授Tapajyoti Das Gupta說(shuō)：“這是像鎵這樣的液態(tài)金屬第一次被用于光子學(xué)領(lǐng)域?！?/p>

一些自然物體，例如寶石、軟體動(dòng)物殼或孔雀羽毛等，天生就是五顏六色的。它們的顏色來(lái)自于光與周期性陣列的微米或納米結構的相互作用，比如蛋白石中的微小二氧化硅球體、軟體動(dòng)物殼中的碳酸鈣基血小板、孔雀羽毛中圓柱形結構頂部的分段帶狀物等。

受大自然啟發(fā)的結構色材料在顯示器、可穿戴電子產(chǎn)品、視覺(jué)傳感器和防偽標簽等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。近年來(lái)，科學(xué)家們一直在嘗試設計能夠隨著(zhù)外部機械刺激而改變顏色的材料。

印度科學(xué)研究所的研究團隊開(kāi)始用金屬鎵進(jìn)行實(shí)驗，但是，因為鎵的高表面張力阻礙了納米顆粒的形成，所以在此之前，鎵并沒(méi)觸及這種應用。鎵在室溫下是一種液態(tài)金屬，已有研究證明，其納米顆粒與電磁輻射有很強的相互作用。

該研究團隊開(kāi)發(fā)的工藝，巧妙地利用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）這種生物相容性聚合物襯底的特性，克服了表面張力的障礙，創(chuàng )造出了鎵納米顆粒。

當PDMS襯底被拉伸時(shí)，研究團隊注意到一些不尋常的事情。隨著(zhù)不同應變的發(fā)生，材料開(kāi)始顯示出不同的顏色。研究團隊推測，沉積的鎵納米顆粒陣列以特定的方式與光相互作用，從而產(chǎn)生不同的顏色。為了分析PDMS襯底在顏色變化中起到的作用，該研究團隊還建立了一個(gè)數學(xué)模型。

PDMS是一種聚合物，由兩種液態(tài)狀成分——低聚物和交聯(lián)劑——混合并相互反應形成固體聚合物。該研究團隊發(fā)現，未反應的低聚物部分，仍處于液態(tài)，在穩定的襯底上，對于鎵納米顆粒的形成起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

當PDMS襯底被拉伸時(shí)，液態(tài)狀的低聚物滲入納米顆粒之間的間隙，改變間隙的大小和它們與光的相互作用，導致觀(guān)察到的顏色也發(fā)生了變化。在實(shí)驗室進(jìn)行的實(shí)驗證實(shí)了該研究團隊對數學(xué)模型的預測。通過(guò)調整低聚物含量與交聯(lián)劑的比例，研究團隊獲得了各種顏色調諧范圍。

上述論文的主要作者、博士生Renu Raman Sahu說(shuō)：“我們發(fā)現，PDMS襯底不僅在結構上保持穩定，而且在決定鎵納米顆粒的結構和由此產(chǎn)生的顏色方面也起著(zhù)積極作用。即使經(jīng)過(guò)8萬(wàn)次的拉伸，該材料仍然能夠顯示出可重復的顏色變化，這證實(shí)了其可靠性?！?/p>

傳統的技術(shù)（例如光刻）用于制造這類(lèi)材料涉及的工藝步驟繁多，想要擴大規模更加需要很高的成本。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該研究團隊設計了一種單步物理氣相沉積（PVD）技術(shù)，蒸發(fā)液態(tài)鎵金屬并將其沉積在PDMS襯底上。這使他們能夠制造出柔性結構色薄膜，尺寸約為手掌的一半。

這種薄膜有多種潛在的應用。該研究團隊展示了人體運動(dòng)傳感器的應用：當將一段薄膜附著(zhù)在手指上時(shí)，隨著(zhù)手指的彎曲，它的顏色也發(fā)生變化，這有助于實(shí)時(shí)感知運動(dòng)。Renu Raman Sahu表示：“在未來(lái)，該薄膜材料也可以用于能量收集應用?！?/p>

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41565-024-01625-1