Структурно-окрашенный гидрогель научили менять цвет без изменения размера

Американские ученые создали материал со структурной окраской, способный менять свой цвет под действием тепла от солнечного излучения практически без изменения своего размера, что обычно характерно для материалов такого типа. Он состоит из полимерной матрицы, невосприимчивой к небольшому нагреванию, а также включений, значительно уменьшающихся при нагревании и благодаря этому меняющих свои оптические свойства, рассказывают авторы статьи в ACS Nano.

Большинство предметов имеют собственный цвет благодаря наличию определенных пигментов, но помимо этого существует также структурная окраска. Она обусловлена наличием в предмете фотонных кристаллов, имеющих повторяющуюся структуру с изменяющимися оптическими свойствами, в которой период сопоставим с длинами волн видимого света. Существуют множество живых существ, применяющих структурную окраску, а также виды, умеющие менять распределение элементов в окраске для изменения своего цвета, например, хамелеоны, рыбы голубые неоны и другие.

Ученые занимаются созданием материалов с переменной структурной окраской, меняющейся под действием внешних стимулов подобным образом. Поскольку свойства фотонных кристаллов напрямую зависят от периода их строения, то механизм изменения цвета в структурно-окрашенных материалах, как правило, заключается в изменении этого периода благодаря нагреванию или другому воздействию. Однако этот механизм имеет недостаток, связанный с тем, что размер материала сильно меняется, что не всегда удобно.

Ученые под руководством Халида Салаита (Khalid Salaita) из Университета Эмори создали материал с изменяемой структурной окраской, лишенный этого недостатка. Он состоит из прозрачной матрицы и цветных квадратных включений. Матрица состоит из тетраполиэтиленгликоля и небольшого объема слоистых наночастиц алюмосиликатов. Эта матрица при нагревании практически не меняет свой размер.

Внутри матрицы располагаются квадратные включения из гидрогеля на основе поли-N-изопропилакриламида (pNIPAM). Он известен своими необычными свойствами: при нагревании до 32 градусов цельсия он перестает проявлять гидрофильные свойства, высвобождает поглощенную воду и благодаря этому резко уменьшается в размере. Этот фазовый переход обратим и изначальные свойства возвращаются после охлаждения.

Сам по себе этот гидрогель не является фотонным кристаллом, поэтому ученые добавили в него сферические наночастицы диаметром около 200 нанометров. Они состоят из двух частей: ядра из оксида железа Fe₃O₄ и оболочки из оксида кремния SiO₂. Ядро из ферромагнитного материала позволило при полимеризации гидрогеля организовать наночастицы в периодическую структуру и тем самым создать фотонный кристалл с заданными свойствами.

Ученые проверили свойства полученного материала, меняя его температуру с 20 до 40 или 45 градусов Цельсия и обратно с помощью нагревателя или солнечного света. Главный вывод экспериментов заключается в том, что матрица из полиэтиленгликоля действительно компенсировала деформации включений из pNIPAM, как и предполагали авторы. Измерения цвета показали, что пиковая длина волны поглощения меняется примерно на 50 нанометров, что можно заметить невооруженным взглядом.

Недавно другая группа химиков использовала полимер pNIPAM для создания материала с изменяемым цветом на основе капель воды. Они создали золотые наночастицы, покрытые слоем этого полимера, и разместили их в виде взвеси в микрокаплях воды, которые в свою очередь располагаются в масле. При нагревании частицы начинают слипаться, благодаря чему оптические свойства всей среды изменяются.

Григорий Копиев