科学家开发用于显示器和传感器的可调彩色薄膜

印度科学研究所(IISc)的研究人员开发出了柔性薄膜，这种薄膜纯粹凭借其物理结构而呈现出明亮的色彩，而不需要任何颜料。拉伸时，薄膜会因机械变形而呈现颜色变化。

为了设计这些薄膜，该团队设计了一种新颖的经济高效且可扩展的单步技术，该技术涉及蒸发镓金属以在柔性基板上形成纳米尺寸的颗粒。他们的方法允许同时制造响应机械刺激的多种结构颜色。

该团队还展示了这些薄膜如何用于各种应用，从智能绷带和运动传感器到反射显示器。

“这是首次将像镓这样的液态金属用于光子学，”仪器和应用物理系(IAP)助理教授、发表在《自然纳米技术》上的研究通讯作者TapajyotiDasGupta说道。

一些自然物体，如宝石、软体动物贝壳或孔雀羽毛，本质上是多彩的。它们的颜色是由光与周期性排列的微米或纳米结构的相互作用产生的，例如蛋白石中的微小二氧化硅球、软体动物壳中的碳酸钙基片状体以及孔雀羽毛中圆柱形结构顶部的分段带。

由于镓纳米结构的变化，样品在弯曲时表现出从蓝色到黄色的颜色变化。图片来源：马克·维尔谢里

受自然启发的结构彩色材料在显示器、可穿戴电子产品、视觉传感器和防伪标签中得到了广泛的应用。近年来，科学家们一直在尝试设计能够响应外部机械刺激而改变颜色的材料。

IISc团队开始对镓进行实验，但由于其高表面张力阻碍了纳米粒子的形成，因此尚未对其进行此类应用的探索。镓在室温下是液态金属，其纳米颗粒已被证明与电磁辐射具有很强的相互作用。

该团队开发的工艺通过巧妙地利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)(一种生物相容性聚合物)基材的特性，实现了克服表面张力障碍来制造镓纳米颗粒的壮举。

当基材被拉伸时，研究人员注意到一些不寻常的现象。根据应变，材料开始显示出不同的颜色。研究人员推测，沉积的镓纳米粒子阵列以特定方式与光相互作用以产生颜色。

为了了解基材在颜色生成中的作用，该团队开发了一个数学模型。

PDMS是一种通过混合两种液体状成分(低聚物和交联剂)制成的聚合物，它们相互反应形成固体聚合物。研究人员发现，低聚物中未反应的部分仍处于液态，在稳定基底上镓纳米颗粒的形成方面发挥着至关重要的作用。

当该基材被拉伸时，液体状低聚物渗入纳米粒子之间的间隙，改变间隙尺寸及其与光的相互作用，导致观察到的颜色变化。实验室进行的实验证实了该模型的预测。通过调整低聚物含量与交联剂的比例，研究人员获得了一系列颜色。

“我们表明，PDMS基底不仅保持结构，而且在确定镓纳米粒子的结构和由此产生的着色方面发挥着积极作用，”RenuRamanSahu博士说。IAP学生和主要作者。即使经过80,000次拉伸循环后，该材料仍能呈现可重复的颜色变化，表明其可靠性。

用于制造此类材料的传统技术(例如光刻)涉及许多步骤，并且扩大规模成本高昂。为了解决这个问题，该团队设计了一种单步物理气相沉积技术来蒸发液态镓金属并将其沉积在PDMS基板上。这使得他们能够制造出柔性的、结构彩色的薄膜，尺寸约为手掌的一半大小。

此类薄膜有多种可能的应用。该团队展示了这样一个应用：身体运动传感器。当一条薄膜贴在手指上时，当手指弯曲时，它会改变颜色，有助于实时感知运动。

萨胡说：“未来，这些材料也可用于能量收集应用。”