Физики изготовили радужный катафот из наночастиц и скотча

Группа физиков из Китая и США разработали пленку, которая отражает около 40 процентов падающего белого света независимо от угла его падения, кажется однотонно-зеленой, если источник света совпадает с наблюдателем, и радужно переливается в противном случае. Для этого ученые разместили на клейкой ленте ровные ряды микрометровых сфер из полистирола. Чтобы продемонстрировать практическую пользу изготовленного материала, исследователи изготовили из него «умные» дорожные знаки, которые сообщали пешеходам о приближении машины или обращали внимание водителя на важную информацию. Статья опубликована в Science Advances.

Чтобы подсветить дорожную разметку, знаки и жилеты рабочих, на них размещают катафоты — небольшие устройства, которые практически без потерь разворачивают падающий свет на 180 градусов. В основном, катафоты изготавливают по одной из двух схем: угловой катафот собран из трех перпендикулярных зеркал, а сферический — из прозрачной сферы с зеркальной задней стенкой. На практике катафоты также подкрашивают, чтобы сделать их более заметными и узнаваемыми. Например, отражатели знака «пересечение со второстепенной дорогой» частично красные, а отражатели знака «круговое движение» — синие.

К сожалению, использование краски для придания катафоту нужного цвета имеет свои недостатки. Во-первых, со временем краска тускнеет. Во-вторых, ее производство загрязняет окружающую среду. Поэтому ученые разрабатывают структурно окрашенные материалы, которые сразу, сами по себе обладают свойствами цветных катафотов. Как правило, для этого исследователи добавляют в материал наночастицы или сложным образом обрабатывают его поверхность. Впрочем, до сих пор материалы, обладающие такими свойствами, найдены не были — либо их окраска была слишком тусклой, либо она пропадала при повороте предмета, либо материал отражал слишком мало света. Более того, производство большинства структурно окрашенных материалов требует много времени и усилий, а потому перенести его в промышленные масштабы очень сложно.

Группа физиков под руководством Лиминь Ву (Limin Wu) впервые изготовила структурно окрашенную пленку, лишенную всех перечисленных недостатков. Для этого ученые с помощью метода коллоидной сборки (colloidal assembly) плотно разместили на подложке полистироловые сферы диаметром 15 микрометров и прижали к ним прозрачную липкую ленту. В результате гладкая сторона липкой ленты разворачивала около 40 процентов падающего излучения и превращал белый свет в голубовато-зеленый. Противоположная сторона, напротив, отражала около процента падающего света, а оставшееся излучение пропускала. Важно, что эти свойства сохранялись при освещении пленки под произвольным углом.

Кроме того, изготовленный катафот обладает еще одним важным свойством: его цвет зависит от угла между направлением взгляда и направлением падающего белого света. Регулируя этот угол, можно прогнать цвет отраженного излучения практически по всему спектру от красного до синего. Следовательно, если сбоку подсветить протяженную пленку, она будет радужно переливаться. В то же время, для наблюдателя, совмещенного с источником света, она будет работать как одноцветный катафот. По словам ученых, такие необычные свойства пленки объясняются интерференцией света на ее микроструктуре и сферической симметрией микрочастиц. Впрочем, в детали ученые не вдаются.

Чтобы продемонстрировать практическую полезность изготовленного катафота, ученые изготовили дорожный знак «пешеходный переход», установили его на высоте 1,7 метра над дорогой, дождались ночи и проехали мимо него на машине. Для водителя, освещавшего знак фарами своей машины, он все время казался ярким и однотонно окрашенным. Для пешехода же, который медленно приближался к знаку одновременно с машиной, он менял цвет с однотонно-голубого на радужный. Таким образом, знак служил своеобразным «умным» индикатором, который недвусмысленно говорил пешеходу о приближении машины и позволял оценить оставшееся до нее расстояние.

Кроме того, ученые предложили еще одно применение разработанной пленки: переливающиеся сигнальные знаки, которые привлекают внимание водителя и сообщают ему важную информацию. Обычно такие знаки изготавливают из светодиодов, однако в данном случае будет достаточно яркой белой лампы. В качестве примера физики собрали знак «ограничение скорости 60» из восьми пленок с разным диаметром микросфер, каждая из которых по-разному переливалась при приближении автомобиля.

Наконец, физики подчеркивают высокую устойчивость материала к внешним воздействиям: пленка практически без последствий перенесла охлаждение до −196 градусов Цельсия и нагревание до 100 градусов Цельсия. Кроме того, она легко восстановилась после погружения в воду. Также ученые отмечают легкость производства материала и его низкую стоимость. Поэтому авторы статьи надеются, что в ближайшем будущем разработанная пленка уже будет применяться в повседневной жизни.

Группа Ву не первая, кто «настраивает» свойства материала с помощью примеси микрочастиц. Например, в 2016 году физики из Университета Мельбурна разработала краску на основе наночастиц алюминия, цвет которой определяется поляризацией падающего излучения. А в 2018 японские исследователи синтезировали краситель, который меняет свой цвет в зависимости от типа освещения и цвета фона, на которое помещено окрашенное изображение: например, на белом фоне изображение кажется бежевым, а на черном — синим. В России подобными разработками занимается, в частности, Университет ИТМО; подробнее про их работу можно прочитать в материале «Большинство открытий пока еще не сделаны».

Дмитрий Трунин