Защитное покрытие для банкнот потеряет цвет от воды и восстановит прикосновением
Международный коллектив исследователей из Университета Вестлейк (Китай), СПбГУ и МФТИ разработал уникальный «умный» материал. Полимерный фотонный кристалл с эффектом памяти формы может «стирать» свой яркий структурный цвет при контакте с водой и мгновенно восстанавливать его под действием спирта, ацетона или простого прикосновения.
Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Today Nano. Мир вокруг нас полон красок, большинство из которых обязано своим существованием пигментам — молекулам, поглощающим часть светового спектра. Однако природа знает и другой, более изящный способ окраски — структурный. Подобно переливам крыльев бабочки морфо или сиянию опалов, эта окраска возникает не за счет химии, а благодаря физике: наноскопическая архитектура материала взаимодействует со светом, отражая волны строго определенной длины. Такие структуры, известные как фотонные кристаллы, представляют собой упорядоченные решетки из диэлектрических материалов, действующие как полупроводники для света. В последнее время ученые активно исследуют как статические, так и динамические фотонные кристаллы — способные изменять свои оптические свойства под внешним воздействием.
Параллельно развивалась другая область материаловедения — полимеры с эффектом памяти формы. Они способны запоминать свою исходную форму, а после деформации возвращаться к ней под действием внешнего стимула, чаще всего — нагрева. Физики давно стремились объединить эти свойства: создать материал, который был бы одновременно и фотонным кристаллом, и полимером с памятью. Цветом такого материала можно было бы управлять через изменение его формы на наноуровне. Структурно-цветовая память материалов может быть использована в самых различных приложениях, таких как QR-коды, защитные пленки и сенсоры. Существовавшие до сих пор способы реализации такой памяти требовали либо высоких температур, либо значительных механических усилий, что ограничивало их практическое применение.
Научная группа из Китая и России поставила перед собой задачу создать полимерный фотонный кристалл, которым можно было бы управлять при комнатной температуре, используя простые и доступные триггеры. В качестве основы они выбрали технологию инверсных опалов. Работа, проведенная учеными, напоминала работу скульптора: сначала из крошечных кремнеземных наносфер они сформировали идеальную кристаллическую решетку — шаблон, похожий на плотно уложенные в коробку микроскопические шарики.
На макроуровне (a, b): При обработке водой и высушивании пленка теряет цвет (а). После обработки этанолом и высушивании цвет восстанавливается (b). Спектральный анализ (с) подтверждает изменение отражающей способности. Локальное управление цветом: Нанесение этанола ватной палочкой на обесцвеченную пленку создает цветную надпись «W» (d). Вода, нанесенная на цветную область, образует бесцветную букву «U» (e). Микроструктура (f, g, i, j): После воды: поверхность деформирована, поры слиплись (f, i) → свет рассеивается, цвет исчезает. После этанола: идеально упорядоченная пористая структура (g, j) → свет отражается, появляется цвет. Граница между обработанными участками визуализирована (h, k) / © Matin Ashurov et al., Materials Today Nano
Затем это пространство было заполнено специально разработанным жидким мономерным «коктейлем», состоящим из этоксиэтоксиэтил акрилата (EOEOEA) и полиэтиленгликоль диакрилата (PEGDA). После полимеризации под действием ультрафиолета образовался прочный и эластичный сополимер. На финальном этапе шаблон из кремнезема был растворен, оставив после себя его точный негативный отпечаток — пористую структуру, которая и является фотонным кристаллом. Ключевым фактором успеха команды ученых стал подбор состава сополимера, который обладает очень низкой температурой стеклования (около –43 °C), что делает его чрезвычайно гибким и эластичным при комнатной температуре.
Именно эта эластичность и легла в основу поразительных свойств нового материала. Оказалось, что его яркий цвет, обусловленный периодической структурой пор, можно полностью «стереть», просто капнув на него водой. По мере испарения воды ее высокое поверхностное натяжение создает мощные капиллярные силы — так называемое давление Лапласа — которые, словно микроскопический пресс, сминают пористую структуру. Порядок нарушается, и материал становится тусклым и полупрозрачным. Это и есть процесс «холодной» записи или программирования временного состояния.
Самое интересное начинается на этапе восстановления. Чтобы вернуть материалу его первоначальный цвет, достаточно обработать его жидкостью с низким поверхностным натяжением, например, обычным этанолом или ацетоном. Капиллярные силы этих жидкостей слишком слабы, чтобы удерживать структуру в сжатом состоянии. Внутренняя упругая память полимера берет верх, поры «расправляются», и идеальный порядок восстанавливается вместе с ярким цветом. Второй способ восстановления — механический. Легкое давление на «стертую» область, как ни парадоксально, также заставляет поры вернуться в исходное состояние. Это позволяет буквально «печатать» на поверхности материала, перенося на нее сложные узоры.
«В основе нашего открытия лежит изящный баланс сил на наномасштабе.
Мы наблюдаем за настоящим противостоянием между капиллярными силами, стремящимися смять структуру, и внутренней упругостью самого полимера, которая пытается ее восстановить. Мы заставили капиллярное давление, возникающее при испарении воды, работать на нас, «схлопывая» структуру и стирая цвет. А для восстановления мы используем либо внутреннюю «упругую память» самого полимера, которую высвобождают растворители с низким поверхностным натяжением, либо прикладываем внешнее давление, которое помогает порам «расправиться». Это настоящая физика на кончиках пальцев», — прокомментировала Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ. — Ключом к успеху стал синтез нового сополимера с очень низкой температурой стеклования. Это сделало его чрезвычайно эластичным и «послушным» при комнатной температуре. Мы не просто создали новый материал; мы разработали целую платформу для реализации устройств обратимой оптической памяти».
В итоге создан «умный» полимерный материал, цвет которого можно обратимо переключать при комнатной температуре. «Стирание» цвета происходит из-за коллапса нанопор под действием капиллярных сил при испарении воды (с высоким поверхностным натяжением). «Восстановление» цвета происходит при испарении этанола (с низким поверхностным натяжением), который «расправляет» поры обратно. Этот эффект можно использовать для создания перезаписываемых поверхностей, датчиков и защитных меток. Эксперименты показали, что материал выдерживает десятки циклов перезаписи без потери свойств, а записанные с помощью давления узоры сохраняются в течение многих месяцев, но могут быть мгновенно стерты водой.
Новый материал можно использовать для биометрической идентификации или как элемент защиты на документах и банкнотах. Сенсоры на основе фотонного кристалла, который меняет цвет при определенных условиях, могут быть использованы для детектирования определенных химических веществ, таких, как этанол или ацетон. Они также могут помочь при разработке перезаписываемых дисплеев и носителей информации. В будущем исследователи планируют оптимизировать состав полимера для достижения еще более быстрой реакции и избирательности к различным стимулам, а также интегрировать его в реальные электронные и оптические устройства.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые РТУ МИРЭА и Сибирского федерального университета создали программный комплекс, который анализирует учебные планы вузов быстрее секунды и находит в них слабые места. Большинство учебных планов содержат скрытые противоречия, дублирования и неочевидные перекосы в подготовке специалистов. Это важно, потому что от качества учебного плана напрямую зависит, какие реальные навыки получат студенты и насколько они будут востребованы работодателями.
Пяти постов на одну тему достаточно, чтобы сформировать мнение. Новое исследование показало, что убеждения в соцсетях фиксируются быстрее, чем включается критическое мышление.
Наскальное искусство палеолита — большая редкость для Британии, а рисунки в пещере Бейкон-Хоул, открытые в 1912 году, почти 100 лет считались природным явлением. Международная группа исследователей не только повторно обнаружила эту панель, но и с помощью химического анализа пигмента доказала ее антропогенное происхождение и возраст около 17 тысяч лет, вернув находке статус одного из древнейших памятников символической деятельности человека на Британских островах.
Исследователи опросили более 60 тысяч испытуемых из разных стран и выяснили: чем больше человек зациклен на себе, тем холоднее он к своему партнеру. Правда, снижение накала страстей не всегда плохо, у этого есть и положительные стороны.
Около четырех миллиардов лет назад Солнечная система пребывала в хаосе: гигантские планеты сближались, меняли орбиты и выбрасывали своих соседей в межзвездное пространство. Хотя шансы на «выживание» лун Юпитера и Урана в этот период были крайне малы, астрономы показали, что их судьба может хранить следы древней катастрофы с участием «потерянной» планеты.
Изучив данные о скорости изменения температур ледяных спутников пятой и шестой планеты системы, астрономы обнаружили, что она слишком высока для по-настоящему ледяной поверхности. Оказалось, что эти тела покрыты материалом, по своим свойствам резко отличающимся от земного льда.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно