Ingenieure verwenden die Fototechnik des 19. Jahrhunderts neu, um dehnbare, farbwechselnde Filme herzustellen

Stellen Sie sich vor, Sie würden ein Stück Film dehnen, um eine versteckte Botschaft zu enthüllen. Oder die Farbe eines Armbands überprüfen, um die Muskelmasse zu messen. Oder tragen Sie einen Badeanzug, der die Farbe ändert, wenn Sie Runden drehen. Solche chamäleonartigen, farbverändernden Materialien könnten dank einer fotografischen Technik, die von MIT-Ingenieuren wiederbelebt und umfunktioniert wurde, am Horizont erscheinen.

Durch die Anwendung einer Farbfotografietechnik aus dem 19. Jahrhundert auf moderne holografische Materialien hat ein MIT-Team großformatige Bilder auf elastische Materialien gedruckt, die, wenn sie gedehnt werden, ihre Farbe verändern können und unterschiedliche Wellenlängen reflektieren, wenn das Material belastet wird.

Die Forscher stellten dehnbare Folien her, die mit detaillierten Blumensträußen bedruckt waren, die beim Dehnen der Folien von warmen zu kühleren Farbtönen wechseln. Sie druckten auch Filme, die den Abdruck von Objekten wie einer Erdbeere, einer Münze und einem Fingerabdruck zeigen.

Die Ergebnisse des Teams liefern die erste skalierbare Herstellungstechnik zur Herstellung detaillierter, großformatiger Materialien mit „struktureller Farbe“ – Farbe, die als Folge der mikroskopischen Struktur eines Materials entsteht und nicht durch chemische Zusätze oder Farbstoffe.

„Die Skalierung dieser Materialien ist nicht trivial, weil man diese Strukturen im Nanomaßstab kontrollieren muss“, sagt Benjamin Miller, ein Doktorand am Department of Mechanical Engineering des MIT. „Jetzt, da wir diese Skalierungshürde genommen haben, können wir Fragen untersuchen wie: Können wir dieses Material verwenden, um Roboterhaut herzustellen, die einen menschenähnlichen Tastsinn hat? Und können wir berührungsempfindliche Geräte für Dinge wie virtuelle erweiterte Realität entwickeln oder medizinische Ausbildung? Es ist ein großer Bereich, den wir uns jetzt ansehen.

Die Ergebnisse des Teams erscheinen heute in Naturmaterialien. Millers Co-Autoren sind die MIT-Studentin Helen Liu und Mathias Kolle, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT.

Hologramm-Zufall

Kolles Gruppe entwickelt optische Materialien, die von der Natur inspiriert sind. Die Forscher haben die lichtreflektierenden Eigenschaften von Muschelschalen, Schmetterlingsflügeln und anderen schillernden Organismen untersucht, die aufgrund mikroskopischer Oberflächenstrukturen zu schimmern und ihre Farbe zu verändern scheinen. Diese Strukturen sind abgewinkelt und geschichtet, um Licht wie farbige Miniaturspiegel oder das, was Ingenieure als Bragg-Reflektoren bezeichnen, zu reflektieren.

Gruppen wie Kolle’s haben versucht, diese natürliche, strukturelle Farbe in Materialien mit einer Vielzahl von Techniken zu reproduzieren. Einige Bemühungen haben kleine Proben mit präzisen Nanostrukturen erzeugt, während andere größere Proben erzeugt haben, aber mit weniger optischer Präzision.

Wie das Team schreibt, „ein Ansatz, der beides bietet [microscale control and scalability] bleibt schwer fassbar, trotz mehrerer potenzieller hochwirksamer Anwendungen.“

Während er darüber nachdachte, wie man dieses Problem lösen könnte, besuchte Miller zufällig das MIT Museum, wo ihn ein Kurator durch eine Ausstellung über Holographie führte, eine Technik, die dreidimensionale Bilder erzeugt, indem zwei Lichtstrahlen auf ein physisches Material überlagert werden.

„Mir wurde klar, was sie in der Holographie machen, ist ungefähr dasselbe, was die Natur mit strukturellen Farben macht“, sagt Miller.

Dieser Besuch spornte ihn an, sich über die Holographie und ihre Geschichte zu informieren, was ihn bis ins späte 19. Jahrhundert und die Lippmann-Fotografie zurückführte – eine frühe Farbfotografie-Technik, die vom französisch-luxemburgischen Physiker Gabriel Lippmann erfunden wurde, der später den Nobelpreis für Physik erhielt Technik.

Lippmann erzeugte Farbfotos, indem er zunächst einen Spiegel hinter eine sehr dünne, transparente Emulsion stellte – ein Material, das er aus winzigen lichtempfindlichen Körnern zusammenbraute. Er setzte den Aufbau einem Lichtstrahl aus, den der Spiegel durch die Emulsion zurück reflektierte. Die Interferenz der ein- und ausgehenden Lichtwellen stimulierte die Körner der Emulsion, ihre Position wie viele winzige Spiegel neu zu konfigurieren und das Muster und die Wellenlänge des Belichtungslichts zu reflektieren.

Mit dieser Technik projizierte Lippmann strukturell farbige Bilder von Blumen und anderen Szenen auf seine Emulsionen, obwohl der Prozess mühsam war. Es ging darum, die Emulsionen von Hand herzustellen und tagelang darauf zu warten, dass das Material ausreichend Licht ausgesetzt war. Aufgrund dieser Einschränkungen verschwand die Technik weitgehend in der Geschichte.

Eine moderne Wendung

Miller fragte sich, ob die Lippmann-Fotografie gepaart mit modernen, holografischen Materialien beschleunigt werden könnte, um großformatige, strukturell farbige Materialien herzustellen. Wie Lippmanns Emulsionen bestehen aktuelle holografische Materialien aus lichtempfindlichen Molekülen, die sich vernetzen können, wenn sie einfallenden Photonen ausgesetzt werden, um farbige Spiegel zu bilden.

„Die Chemie dieser modernen holografischen Materialien ist jetzt so reaktionsschnell, dass es möglich ist, diese Technik in kurzer Zeit einfach mit einem Projektor durchzuführen“, bemerkt Kolle.

In ihrer neuen Studie klebte das Team einen elastischen, transparenten holografischen Film auf eine reflektierende, spiegelähnliche Oberfläche (in diesem Fall eine Aluminiumfolie). Die Forscher stellten dann einen handelsüblichen Projektor mehrere Meter vom Film entfernt auf und projizierten Bilder auf jede Probe, einschließlich Lippman-artiger Blumensträuße.

Wie sie vermuteten, produzierten die Filme innerhalb weniger Minuten statt Tage große, detaillierte Bilder, die die Farben der Originalbilder lebendig reproduzierten.

Dann lösten sie die Folie vom Spiegel und klebten sie zur Unterstützung auf eine schwarze elastische Silikonunterlage. Sie streckten die Folie und beobachteten, wie sich die Farben veränderten – eine Folge der Strukturfarbe des Materials: Wenn sich das Material dehnt und ausdünnt, rekonfigurieren seine nanoskaligen Strukturen, um leicht unterschiedliche Wellenlängen zu reflektieren, beispielsweise von Rot zu Blau.

Das Team stellte fest, dass die Farbe des Films sehr empfindlich auf Belastungen reagiert. Nachdem sie eine vollständig rote Folie hergestellt hatten, klebten sie diese auf einen Silikonträger unterschiedlicher Dicke. Wo der Träger am dünnsten war, blieb der Film rot, wohingegen dickere Abschnitte den Film spannten, wodurch er blau wurde.

In ähnlicher Weise fanden sie heraus, dass das Einpressen verschiedener Objekte in Proben aus rotem Film detaillierte grüne Abdrücke hinterließ, die beispielsweise durch die Samen einer Erdbeere und die Falten eines Fingerabdrucks verursacht wurden.

Interessanterweise konnten sie auch versteckte Bilder projizieren, indem sie den Film bei der Erstellung der farbigen Spiegel in einem Winkel zum einfallenden Licht neigten. Diese Neigung führte im Wesentlichen dazu, dass die Nanostrukturen des Materials ein rotverschobenes Lichtspektrum reflektierten. Zum Beispiel würde grünes Licht, das während der Materialbelichtung und -entwicklung verwendet wird, dazu führen, dass rotes Licht reflektiert wird, und die Belichtung mit rotem Licht würde Strukturen ergeben, die Infrarot reflektieren – eine Wellenlänge, die für Menschen nicht sichtbar ist. Wenn das Material gedehnt wird, ändert dieses ansonsten unsichtbare Bild seine Farbe und zeigt sich in Rot.

„So könnte man Nachrichten verschlüsseln“, sagt Kolle.

Insgesamt ist die Technik des Teams die erste, die eine großflächige Projektion detaillierter, strukturell farbiger Materialien ermöglicht.

Tatsächlich merkt Kolle an, dass sich die neuen farbwechselnden Materialien leicht in Textilien integrieren lassen.

„Mit Lippmanns Materialien hätte er nicht einmal einen Speedo produzieren können“, sagt er. „Jetzt könnten wir einen ganzen Trikotanzug machen.“

Über Mode und Textilien hinaus erforscht das Team Anwendungen wie Bandagen mit Farbwechsel zur Überwachung des Druckniveaus von Bandagen bei der Behandlung von Erkrankungen wie venösen Geschwüren und bestimmten Lympherkrankungen.