Neuartiges Gel erweist sich als hochgradig abstimmbarer Farbfilter

Färben Sie diese Wissenschaftler glücklich. Ein exotisches Gel, das sie am National Institute of Standards and Technology (NIST) untersucht haben, hat eine unerwartete Eigenschaft: Die Temperatur des Materials bestimmt, welche Lichtfarbe es durchdringen kann.

Das Material, das das Forschungsteam „SeedGel“ nennt, hat sich bereits als vielversprechendes Mehrzweckwerkzeug erwiesen, dessen Anwendungen von Batterien über Wasserfilter bis hin zur Gewebezüchtung reichen. Die neue Zeitung des Teams, erscheint in Naturkommunikation, hebt die neu entdeckte Fähigkeit des Gels als temperaturempfindlicher Lichtfilter hervor. Richten Sie weißes Licht auf das Gel, und abhängig von der Temperatur des Gels wird nur eine bestimmte Wellenlänge oder Farbe durchgelassen. Eine Temperaturänderung von weniger als einem Zehntel Grad Celsius kann ausreichen, um die zulässige Wellenlänge zu ändern, die jede Farbe im sichtbaren Bereich sowie Teile des ultravioletten und infraroten Bereichs sein kann.

„Unsere frühere Arbeit hat gezeigt, dass sich das SeedGel von klar zu undurchsichtig und wieder zurück verwandeln kann, aber wir haben nicht untersucht, was es mit Farbe machen kann“, sagte Yun Liu, der beide Wissenschaftler am NIST Center for Neutron Research (NCNR) ist. und Professor an der University of Delaware. „Seine Fähigkeit, Farbe präzise zu steuern, war eine neue Entdeckung.“

Die Kreation des Teams unterscheidet sich von anderen, die vielleicht vom Markt bekannt sind. Verwechseln Sie es nicht mit einem Stimmungsring, dessen thermochrome Flüssigkristalle ihre Farbe mit der Temperatur ändern. Es ist auch keine Variation von photochromen Sonnenbrillengläsern, die sich verdunkeln, wenn sie ultravioletten Strahlen ausgesetzt werden. Stattdessen fungiert das Gel als temperaturempfindliches Tor für eine bestimmte Lichtwellenlänge.

Ihr Gel beginnt als transparente Flüssigkeit aus Wasser und flüssigen Lösungsmitteln mit zugesetzten Silica-Nanopartikeln. Wird diese Mischung auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, bilden die Flüssigkeiten und Nanopartikel ein physikalisches Gel, das zunächst transparent bleibt, aber nun eine andere innere Struktur besitzt. Anstelle einer formlosen Flüssigkeit bilden die Flüssigkeiten ineinandergreifende mikroskopische Kanäle, in denen die Nanopartikel eingeschlossen sind.

Wenn es durch einen bestimmten Bereich höherer Temperaturen erhitzt wird, tritt der neu entdeckte Effekt auf: Das Gel wird für alle außer einzelnen Farben undurchsichtig und lässt zunächst kürzere, blauere Wellenlängen durch, dann zunehmend längere, rötere Wellenlängen. Sobald dieser Temperaturbereich überschritten wird, wird das Gel schließlich undurchsichtig für alles sichtbare Licht.

Am NCNR durchgeführte Neutronenstreuexperimente erklären dieses ungewöhnliche Verhalten. Eine Änderung der Temperatur bewirkt einen Austausch von Flüssigkeitsmolekülen zwischen den mikroskopisch kleinen Kanälen, wodurch sich der Gesamtbrechungsindex dieser Kanäle ändert. Eine Wellenlänge des Lichts kommt durch, aber andere Farben werden gestreut.

Das Verhalten ist ein Beispiel für den Christiansen-Effekt, der 1884 identifiziert wurde. Es gibt Filter, die auf dem Christiansen-Effekt beruhen, aber die Forscher weisen darauf hin, dass ihr neues Gel der Industrie deutliche Vorteile bietet: Ihr Gel ist nicht nur empfindlicher gegenüber Temperaturänderungen , aber der potenzielle Temperaturbereich, in dem es arbeitet, ist breiter, da es auf einen beliebigen Wert zwischen 15 und 100 Grad Celsius angepasst werden kann. Es kann so abgestimmt werden, dass es einen breiten Wellenlängenbereich abdeckt, möglicherweise von Ultraviolett (von etwas unter 400 Nanometern) bis zum nahen Infrarot (bis zu 2500 Nanometer). Und es lässt mehr Licht durch als typische Christiansen-Filter.

Da das Gel – unabhängig von Anpassungen – aus kostengünstigen, leicht verfügbaren Materialien hergestellt wird, bietet es Vorteile für die Industrie, sagte Yuyin Xi, ein Teammitglied von der University of Delaware.

„Der Ansatz ist vielseitig und lässt sich hervorragend abstimmen, und der Herstellungsprozess kann leicht hochskaliert werden“, sagte er. „Es ist ein vielversprechender Kandidat für den Einsatz in einer Reihe intelligenter optischer Geräte und neuer Materialklassen mit Farbanwendungen.“