Фотонные кристаллы заставили искусственный краситель менять цвет при смене фона

Японские химики синтезировали новый тип красителя, который меняет свой цвет в зависимости от типа освещения и цвета фона, на которое помещено изображение. Добиться такого эффекта можно, совместив в материале три вида пигментов: фотохромный и черный пигменты, а также коллоидный кристалл со структурной окраской, пишут ученые в статье в Small.

Некоторые животные — например, хамелеон, осьминоги и некоторые виды лягушек, — способны менять цвет кожи в ответ на изменение внешних условий. Поскольку одна из функций подобного изменения цвета — это маскировка, то один из факторов, которые приводят к смене окраски — изменение цвета окружающего фона. Например, лягушкам это удается делать за счет наличия в коже нескольких типов пигментных клеток: ксантофоров, которые поглощают в коротковолновой области и придают коже основной цвет, меланофоров, которые поглощают весь свет в видимой области, и иридофоров, которые служат источником структурной окраски, создаваемой только за счет отражения и рассеяния света. Слой меланофоров в коже находится под слоем иридофоров, выступая для них своеобразной фоновой подложкой. При этом количество поглощенного в меланофорах света может меняться в зависимости от внешних условий за счет перераспределения гранул меланина в клетках. Смена цвета подложки меняет картину рассеяния света в иридофорах, что приводит, таким образом, к изменению окраски кожи.

Японские химики из Нагойского университета под руководством Юкикадзу Такеоки (Yukikazu Takeoka) предложили использовать аналогичную схему для создания искусственных красителей, которые могут менять свой цвет в зависимости от цвета фона. Для этого ученые использовали три типа красителей: фотохромный краситель, который меняет свой цвет при облучении светом определенной длины волны, черный пигмент и источник структурной окраски — сферические коллоидные кристаллы, состоящие из наночастиц оксида кремния, которые за счет своей структуры могут отражать свет только определенной длины волны. Именно рассеяние света на этих кристаллах и позволяет этой смеси реагировать на цвет фона — то есть той поверхности, которая находится за кристаллом при прохождении сквозь него пучка света.

В своем исследовании ученые определили, как цвет коллоидного кристалла меняется в зависимости от размера сферических частиц, а также — при смене цвета фона, помещенного за изображением, которое было нанесено с помощью такого красителя на прозрачную стеклянную поверхность. Оказалось, что кристаллы размером 29 микрометров на белом фоне — белого цвета, а при смене цвета фона на черный, у кристалла появляется окраска, которая зависит от размера наночастиц, из которых этот кристалл состоит. Так, для частиц размером 220 нанометров на черном фоне кристалл будет иметь синий цвет, а для частиц размером 300 нанометров — красный. Для кристаллов же размером более 100 микрометров такого эффекта не наблюдается.

Чтобы сделать более выраженной фотонную запрещенную зону в коллоидных кристаллах (а соответственно — увеличить их яркость), авторы работы  предложили добавлять в эти кристаллы наночастицы черного красителя на основе углеродных наночастиц. А для возможности изменения цвета под действием ультрафиолетового излучения, в краситель был добавлен фотохромный диарилэтеновый пигмент. В результате ученым удалось создать такой красящий материал, который может менять свой цвет при изменении размера кристаллов, цвета фона и наличии ультрафиолетового излучения. А меняя концентрацию и точный состав компонентов, можно менять основной цвет красителя.

По словам авторов работы, предложенный ими материал позволяет более точно контролировать цвет искусственных красителей и его яркость. При этом менять его можно несколькими различными способами, используя при этом не только традиционное поглощение света, но и возможность управлять структурной окраской коллоидных кристаллов. В будущем подобные красители ученые предлагают использовать, например, при разработке новых типов дисплеев.

Изменение цвета фона или интенсивности излучения — не единственные внешние условия, изменения которых могут приводить к смене окраски искусственных красителей. Так, недавно ученые синтезировали эластомерный материал, который меняет свой цвет при растяжении. Его можно использовать, например, чтобы определить силу сдавливания эластичного бинта.

Александр Дубов