Il nuovo materiale cambia colore e consistenza come un polipo / New Material Changes Color and Texture Like an Octopus

Il nuovo materiale cambia colore e consistenza come un polipo / New Material Changes Color and Texture Like an Octopus

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Time-lapse dell'evoluzione dei pattern cromatici in un campione di pelle fotonica morbida. /  Time-lapse of the evolution of color patterns in a soft photonic skin sample.

Questo materiale flessibile offre potenziali applicazioni nel campo del camuffamento, dell'arte, della robotica e della bioingegneria su scala nanometrica.

Polpi e seppie sono maestri del travestimento. Molte specie possono cambiare rapidamente sia il colore che la consistenza della loro pelle, una capacità che gli scienziati hanno a lungo cercato di replicare con materiali sintetici. In un articolo pubblicato su  Nature, i ricercatori di Stanford hanno compiuto un passo significativo verso questo obiettivo con un nuovo materiale flessibile che può gonfiarsi in diverse consistenze e colori in pochi secondi, creando motivi con una risoluzione più fine di un capello umano.

"Le texture sono cruciali per il modo in cui percepiamo gli oggetti, sia per come appaiono che per come li percepiamo al tatto", ha affermato  Siddharth Doshi, dottorando in scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e primo autore dello studio. "Questi animali possono modificare fisicamente il loro corpo ad una scala prossima al micron, e ora possiamo controllare dinamicamente la topografia di un materiale, e le proprietà visive ad esso collegate, a questa stessa scala".

Il lavoro potrebbe portare ad un camuffamento dinamico più efficace, sia per gli esseri umani che per i sistemi robotici, e potenzialmente contribuire alla creazione di display flessibili e cangianti per le tecnologie indossabili. Apre inoltre nuove opportunità nel campo della nanofotonica, che utilizza la manipolazione precisa della luce e dell'ottica per progressi in elettronica, crittografia, biologia ed altri settori.

"Non esiste nessun altro sistema che possa essere così morbido e rigonfiabile, e che possa essere modellato su scala nanometrica", ha affermato  Nicholas Melosh, professore di scienza e ingegneria dei materiali ed autore senior dello studio. "Si possono immaginare tantissime applicazioni diverse".

Modelli precisi e reversibili

Per creare texture dinamiche in un materiale flessibile, i ricercatori hanno combinato una tecnica di modellazione chiamata litografia a fascio di elettroni, tipicamente utilizzata nella produzione avanzata di semiconduttori, con una pellicola polimerica che si gonfia assorbendo acqua. Sparando un fascio di elettroni sulla pellicola, sono stati in grado di regolare l'entità del rigonfiamento di alcune aree del materiale, creando motivi dettagliati che si rivelavano solo quando la pellicola era bagnata.

La scoperta che un fascio di elettroni potesse modificare l'assorbenza del polimero e creare motivi di colori e texture diversi è stata inizialmente una sorpresa. In un  progetto precedente, Doshi aveva utilizzato un microscopio elettronico a scansione – che utilizza un fascio di elettroni focalizzato per creare un'immagine ad alta risoluzione – per esaminare le nanostrutture che il gruppo aveva creato su una pellicola polimerica. In genere, quei campioni venivano scartati dopo l'imaging, ma Doshi ha deciso di riutilizzarli invece di crearne di nuovi. Nella serie di test successiva, le regioni della pellicola che erano state acquisite con il microscopio elettronico a scansione si comportavano in modo diverso ed assumevano un colore diverso.

"Ci siamo resi conto che potevamo usare questi fasci di elettroni per controllare la topografia su scale molto fini", ha detto Doshi. "È stata sicuramente una coincidenza fortuita."

La modellazione del fascio di elettroni è così precisa che il gruppo è riuscito a creare una replica in scala nanometrica della formazione rocciosa El Capitan del Parco Nazionale di Yosemite. Una volta asciutta, la pellicola è perfettamente piatta, ma non appena si aggiunge acqua, la forma del monolite si solleva dalla superficie. Hanno anche creato texture su scala fine che modificano il modo in cui la luce viene diffusa a seconda della quantità di acqua aggiunta alla pellicola. Ciò ha permesso ai ricercatori di creare finiture superficiali che vanno dal lucido all'opaco, producendo un aspetto più realistico di quello attualmente possibile con i display di smartphone o computer. Tutte le pellicole possono essere facilmente riportate al loro stato piatto aggiungendo un solvente simile all'alcol per rimuovere l'acqua.

"Non esiste nessun altro sistema che possa essere così morbido e rigonfiabile, e che possa essere modellato su scala nanometrica. Si possono immaginare innumerevoli applicazioni diverse", ha affermato  Nicholas Melosh,  professore di scienza e ingegneria dei materiali.

Il gruppo ha dimostrato che la stessa tecnica può essere utilizzata per progettare e rivelare modelli di colori complessi e commutabili. I ricercatori hanno applicato sottili strati metallici su ciascun lato del film polimerico modellato per creare risonatori Fabry-Pérot, che isolano specifiche lunghezze d'onda della luce in base alla distanza tra gli strati metallici. Man mano che i film polimerici si gonfiano fino a raggiungere diverse larghezze, mostrano una varietà di colori. Con la stessa modellazione a fascio di elettroni e la giusta miscela di acqua e solvente, il foglio monocromatico diventa un tripudio di punti e chiazze colorate.

"Controllando dinamicamente lo spessore e la topografia di una pellicola polimerica, è possibile realizzare un'ampia varietà di colori e texture di grande impatto", ha affermato  Mark Brongersma, professore di scienza ed ingegneria dei materiali e autore senior dello studio. "L'introduzione di materiali morbidi in grado di espandersi, contrarsi ed alterare la propria forma apre una gamma di strumenti completamente nuova nel mondo dell'ottica per manipolare l'aspetto delle cose".

Possibilità dinamiche

Quando i ricercatori hanno combinato pellicole diverse in un dispositivo multistrato, sono riusciti a manipolare in modo indipendente sia il colore che la consistenza contemporaneamente, mimetizzandosi con un motivo di sfondo quasi con la stessa abilità di un polipo (anche se non senza tentativi ed errori).

Attualmente, per far sì che le pellicole corrispondano esattamente ad un modello di sfondo, i ricercatori devono regolare manualmente la combinazione di acqua e solvente per ottenere la topografia ed i colori corretti. In futuro, il gruppo spera di integrare un sistema di visione artificiale in grado di regolare automaticamente il livello di rigonfiamento per far sì che le pellicole si fondano con una varietà di sfondi.

"Vogliamo essere in grado di controllare tutto questo con reti neurali, fondamentalmente un sistema basato sull'intelligenza artificiale, che possa confrontare la pelle ed il suo sfondo, quindi modularli automaticamente per adattarli in tempo reale, senza intervento umano", ha affermato Doshi.

I ricercatori sono interessati anche ad applicazioni che vanno oltre il camuffamento visivo. Ad esempio, modifiche strutturali su piccola scala potrebbero essere utilizzate per aumentare o diminuire l'attrito, il che potrebbe aiutare a determinare se un piccolo robot aderirà ad una superficie o scivolerà oltre. Le strutture su scala nanometrica possono modificare il modo in cui le cellule rispondono, quindi queste tecniche potrebbero trovare applicazioni anche in bioingegneria. Stanno persino collaborando con artisti di Stanford per creare una mostra che utilizzi questi materiali come medium artistico.

"Piccoli cambiamenti nelle proprietà dei materiali morbidi su distanze micrometriche sono finalmente possibili, il che aprirà ogni sorta di possibilità", ha detto Melosh. "Penso che ci siano molte cose entusiasmanti in arrivo."

ENGLISH

The flexible material offers potential applications in camouflage, art, robotics, and nanoscale bioengineering.

Octopus and cuttlefish are masters of disguise. Many species can rapidly change both the color and the texture of their skin – an ability that scientists have long sought to replicate with synthetic materials. In a paper published in Nature, researchers at Stanford have made a significant step towards that goal with a new flexible material that can swell into different textures and colors in a matter of seconds, creating patterns at resolutions finer than a human hair.

“Textures are crucial to the way we experience objects, both in how they look and how they feel,” said Siddharth Doshi, a doctoral student in materials science and engineering at Stanford and first author on the paper. “These animals can physically change their bodies at close to the micron scale, and now we can dynamically control the topography of a material – and the visual properties linked to it – at this same scale.”

The work could lead to more effective dynamic camouflage, both for humans and for robotic systems, and potentially help create flexible, color-changing displays for wearable technologies. It also opens up new opportunities in the field of nanophotonics, which uses the precise manipulation of light and optics for advancements in electronics, encryption, biology, and other areas.

“There’s just no other system that can be this soft and swellable, and that you can pattern at the nanoscale,” said Nicholas Melosh, a professor of materials science and engineering and a senior author on the paper. “You can imagine all kinds of different applications.”

Precise, reversible patterns

To create dynamic textures in a flexible material, the researchers combined a patterning technique called electron-beam lithography, which is typically used in advanced semiconductor manufacturing, with a polymer film that swells as it absorbs water. By firing a beam of electrons at the film, they were able to adjust how much certain areas of the material would swell, creating detailed patterns that only revealed themselves when the film was wet.

The discovery that an electron beam could change the polymer’s absorbency and create patterns of different colors and textures originally came as somewhat of a surprise. In an earlier project, Doshi had used a scanning electron microscope – which uses a focused beam of electrons to create a high-resolution image – to examine nanostructures the team had created on top of a polymer film. Typically, those samples would be discarded after imaging, but Doshi decided to reuse them instead of creating new ones. In the next set of tests, the regions of the film that had been imaged with the electron scanning microscope behaved differently and turned a different color.

“We realized that we could use these electron beams to control topography at very fine scales,” Doshi said. “It was definitely serendipitous.”

The electron-beam patterning is so precise that the team was able to create a nanoscale replica of Yosemite National Park’s El Capitan rock formation. When dry, the film is perfectly flat, but as soon as water is added, the monolith’s shape rises up from the surface. They also fashioned fine-scale textures that change how light is scattered depending on the amount of water added to the film. This allowed the researchers to create surface finishes ranging from glossy to matte, producing a more realistic appearance than smartphone or computer displays are currently capable of. All of the films are easily returned to their flat state by adding an alcohol-like solvent to remove the water.

There’s just no other system that can be this soft and swellable, and that you can pattern at the nanoscale. You can imagine all kinds of different applications," said Nicholas Melosh, professor of materials science and engineering.

The team demonstrated that the same technique can be used to design and reveal complex, switchable color patterns. The researchers put thin, metallic layers on each side of the patterned polymer film to create Fabry-Pérot resonators, which isolate specific wavelengths of light based on the distance between the metal layers. As the polymer films swell to different widths, they display a variety of colors. With the same electron-beam patterning and the right mix of water and solvent, the single-colored sheet becomes a riot of colorful spots and splotches.

“By dynamically controlling the thickness and topography of a polymer film, you can realize a very large variety of beautiful colors and textures,” said Mark Brongersma, a professor of materials science and engineering and a senior author on the paper. “The introduction of soft materials that can expand, contract, and alter their shape opens up an entirely new toolbox in the world of optics to manipulate how things look.”

Dynamic possibilities

When the researchers combined different films into a multilayer device, they were able to independently manipulate both color and texture at the same time, camouflaging with a background pattern nearly as adeptly as an octopus (although not without some trial and error).

Currently, getting the films to accurately match a background pattern requires the researchers to manually adjust the combination of water and solvent to get the right topography and colors. In the future, the team is hoping to integrate a computer vision system, which would be able to automatically adjust the level of swelling to make the films blend in with a variety of backgrounds.

“We want to be able to control this with neural networks – basically an AI-based system – that could compare the skin and its background, then automatically modulate it to match in real time, without human intervention,” Doshi said.

The researchers are also interested in applications beyond visual camouflage. Fine-scale changes in texture could, for example, be used to increase or decrease friction, which could help determine if a small robot will cling to a surface or slide past it. Nanoscale structures can change how cells respond, so there may be bioengineering uses for these techniques as well. They are even working with artists at Stanford to create an exhibit using these materials as an artistic medium.

“Small changes in the properties of soft materials over micron distances are finally possible, which will open up all sorts of possibilities,” Melosh said. “I think there are a lot of exciting things coming up.”

Da:

https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/new-material-changes-color-and-texture-like-an-octopus-408380?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Informatics&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-_seommk3laePw1zY71aJ7R-qYytz4EHM6B8XNvX0uxuwGUQ5ftZZ8QK8RI8IUiFl0HaUpWTf87IhwwmJ926tqIUlgLVM0iFY1BK0L1WZIG9g7iIuQ&_hsmi=400349993&utm_content=400349993&utm_source=hs_email