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受19世纪全息术的启发,麻省理工学院的科学家创造了变色薄膜

2022-08-04 11:01:34浏览:34 评论:0 来源:中国全息网   
核心摘要:该技术的潜在的应用包括压力监测绷带,遮光织物等。你知道吗,蝴蝶翅膀或甲壳虫外壳中明亮的彩虹色不是来源于任何色素分子,而是来自翅膀的结构 —— 这是物理学家所说的“光子晶体”的一个自然存在的例子。现在,科学家可以在实验室中制造自己的结构彩色材料,但在不牺牲光学精度的情况下,将该过程扩大到商业应用将是一项

该技术的潜在的应用包括压力监测绷带,遮光织物等。



你知道吗,蝴蝶翅膀或甲壳虫外壳中明亮的彩虹色不是来源于任何色素分子,而是来自翅膀的结构 —— 这是物理学家所说的“光子晶体”的一个自然存在的例子。现在,科学家可以在实验室中制造自己的结构彩色材料,但在不牺牲光学精度的情况下,将该过程扩大到商业应用将是一项挑战。

现在,麻省理工学院的科学家们采用了一种19世纪的全息摄影技术,开发出了一种变色龙般的薄膜,这种薄膜在拉伸时可以改变颜色。该方法在保持纳米级光学精度的同时,还可以很容易地进行缩放。他们在《自然材料》杂志上发表的一篇新论文中描述了他们的这项工作。



在自然界中,甲壳素(昆虫常见的一种多糖)的鳞片像屋顶的瓦片一样排列。本质上,它们形成了衍射光栅,只不过光子晶体只产生特定颜色或波长的光,而衍射光栅会产生整个光谱,就像棱镜一样。光子晶体也被称为光子带隙材料,它是“可调谐的”,这意味着它们可以精确地阻止某些波长的光,同时让其他波长的光通过。通过改变“瓦片(鳞片)”的大小来改变结构,晶体就会对不同的波长变得敏感。

创造像自然界中发现的结构颜色是材料研究的一个活跃领域。例如,光学传感和视觉通信应用将受益于结构着色材料,这种材料可以根据机械刺激改变色调。制造这种材料有几种技术,但没有一种方法既能在所需的小尺度上控制结构,又能在实验室设置之外扩大规模。

后来,该论文的合著者、麻省理工学院的研究生本杰明·米勒(Benjamin Miller)在麻省理工学院博物馆发现了一个关于全息摄影的展览,并意识到制作全息摄影在某些方面与自然界产生结构色彩的方式相似。他深入研究了全息摄影术的历史,了解了物理学家加布里埃尔·李普曼(Gabriel Lippmann)在19世纪末发明的彩色摄影技术。



上图:加布里埃尔·李普曼在索邦大学实验室从事物理学研究。

1886年,物理学家加布里埃尔·李普曼开始对开发一种将太阳光谱的颜色固定在照相底片上的方法感兴趣,“这样图像就可以保持固定,在日光下也不会变质。”他在1891年实现了这一目标,创作了一幅彩色玻璃窗、一碗橘子和一只彩色鹦鹉的彩色图像,以及风景画和肖像画 —— 包括一幅自画像。

李普曼的彩色摄影过程包括像往常一样将光学图像投射到感光板上。投影是通过玻璃板完成的,玻璃板的另一面涂有非常细的卤化银颗粒的透明乳剂。还有一个与乳剂接触的液态汞反射镜,因此投射的光穿过乳剂,击中镜子,并被反射回乳剂中。

由此产生的光干涉图案在不同深度曝光乳剂,基本上将乳剂编码在该干涉图案中。曝光几分钟后,将板从液态汞中取出并进行处理。

为了便于观看,成品板会被倒置,并在表面附着一个棱镜,通常使用加拿大香脂粘合剂。然后,用白光从前面以垂直的角度照亮板子。在平板上任何一点,只要产生薄板的光的波长与入射光的波长相匹配,光线就会被反射向观看者。其他波长会被银粒吸收或散射,或者直接穿过乳剂,被平板背面的黑色防反射涂层吸收。



但是,李普曼的方法从未在商业上流行起来,主要是因为它需要很长的曝光时间,而且没有办法制作彩色印刷品。幸运的是,全息材料(由光敏分子组成,在光照射下交联形成彩色镜子)自李普曼的时代以来已经取得了长足的进步。该项目的合著者马赛厄斯·科勒(Mathias Kolle)说:“这些现代全息材料的化学反应非常灵敏,只需一台投影仪,就可以在短时间内完成这项技术。”

该团队将一种商业弹性光敏聚合物放在铝板上,并使用标准的现成投影仪将各种图像投射到样品上。制作大型、细节生动的彩色图像需要几分钟时间。然后,他们剥下全息薄膜并将其粘在黑色弹性硅胶衬底上。

当他们拉伸薄膜时,由于薄膜的拉伸和变薄导致纳米级结构重新配置,反射了略有不同的波长,颜色就发生了变化。薄膜在最薄的地方保持红色,在较厚的地方变成蓝色。此外,将草莓、硬币或手指等东西压入红色薄膜中,会留下细致的绿色印记。



本杰明·米勒表示:“现在,我们已经扫清了这个扩展障碍,我们可以探索这样的问题:我们可以使用这种材料来制造具有类似人类触觉的机器人皮肤吗?我们可以为虚拟增强现实或医疗培训等创建触摸传感设备吗?我们现在看到的是一个很大的领域。”

实际上,这些变色薄膜是制作绷带的理想材料,可以根据压力改变颜色,让医务人员知道他们是否包扎得太紧了 —— 这是治疗静脉溃疡、压疮、淋巴水肿和疤痕等疾病时的一个重要因素。孩子们会喜欢带着会变色的绷带,这对儿科医生来说也是个福音。这种材料能够制成大面积的薄片,在服装和运动装上的应用前景广阔。马赛厄斯·科勒说道:“李普曼的材料甚至不允许他生产出一件 Speedo。而现在,我们可以做一条完整的紧身衣了。”

麻省理工学院的研究小组还发现,通过在摄影过程中倾斜薄膜的角度,可以投射出隐藏的图像,从而提供了一种编码秘密信息的方法。在曝光过程中使用红光会形成一层反射红外线的薄膜,而红外线对人类是不可见的。 拉伸生成的薄膜会将图像变为红色,从而显示隐藏的图像。

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