Kameleonisch verkleuren

Geïnspireerd door de Japanse kunstvorm kirigami, is een materiaal ontwikkeld dat verschillende kleuren licht kan reflecteren, afhankelijk van hoe het wordt uitgerekt.

Vergelijkbaar met zijn misschien wel bekendere neefje origami – de
Japanse kunst van het vouwen van papier – is kirigami een kunstvorm
waarbij papier zowel gevouwen als gesneden wordt. De adembenemende
driedimensionale ontwerpen die kirigami-kunstenaars creëren,
inspireerden een team natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam
tot het ontwerpen van een al even spectaculair materiaal: een materiaal
dat geleidelijk van kleur verandert wanneer het wordt uitgerekt. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Photonics.

Kleur uit structuur

Meestal is kleur een gevolg van de samenstelling van het materiaal. Denk aan pigmenten in verf of kleurstoffen in textiel. Zodra een materiaal is gekozen, ligt de kleur dus ook vast. Bij het nieuwe materiaal is het de structuur van het materiaal die de kleur bepaalt. Dit type kleur, toepasselijk ‘structuurkleur’ ​​genoemd, kan op elk gewenst moment eenvoudig worden aangepast.

De kleur van metamaterialen is afhankelijk van de vorm en rangschikking van hun structuren. Wanneer ze worden uitgerekt, bewegen en roteren de microscopische patronen, waardoor de manier verandert waarop licht vanaf het oppervlak wordt weerkaatst. Hierdoor verschuift de kleur van het licht dat door deze ‘kameleonhuid op nanoschaal’ wordt weerkaatst tijdens het uitrekken geleidelijk van groen naar geel en uiteindelijk naar rood.

Mechanisch en optisch

Het ontwerp van het materiaal was geen eenvoudig proces, herinnert eerste auteur Freek van Gorp zich: “Aanvankelijk stonden we voor een grote uitdaging: het materiaal dat we wilden gebruiken, silicium, is op macroscopische schaal vrij broos. We probeerden eerst minuscule siliciumdeeltjes op of in een flexibel substraat te plaatsen, maar het substraat zelf bracht nieuwe complicaties met zich mee. De echte doorbraak kwam toen we ons begonnen af ​​te vragen of we überhaupt wel een substraat nodig hadden. Door het silicium om te zetten in een dun gaaspatroon konden we het materiaal zowel flexibel als functioneel maken. Deze aanpak maakte het mogelijk om in één ontwerp optische metaoppervlakken te combineren met mechanische metamaterialen, wat het kleurafstemmingseffect mogelijk maakte dat we in dit werk hebben aangetoond.”

Jorik van de Groep, groepsleider van het 2D Nanophotonics Lab waar het onderzoek werd uitgevoerd, voegt daaraan toe: “Het cruciale nieuwe van dit materiaal zit in de multifunctionaliteit van de structuur. Door het dunne siliciummembraan te voorzien van nanopatronen, konden we het tegelijkertijd laten functioneren als een mechanisch metamateriaal dat de interne rotaties en verschuivingen regelt, en als een optisch metaoppervlak dat gebruikmaakt van resonante lichtverstrooiing door de structuur. Samen zorgen die twee voor de instelbare structurele kleur.”

Van simulatie naar realiteit

Nu het ontwerp van het materiaal is afgerond, werken de onderzoekers verder aan de realisatie van het concept. Ze doen dit door een echt flexibel metaoppervlak te fabriceren in de cleanroom van het nabijgelegen onderzoeksinstituut Amolf. Nu is aangetoond hoe licht kan worden aangestuurd door beweging in plaats van door chemie, is de implementatie van dit idee in een volledig functioneel metamateriaal de logische vervolgstap. In de nabije toekomst opent dit mogelijkheden voor instelbare kleurcoatings, slimme sensoren en lichtgewicht optische apparaten die zich aanpassen aan hun omgeving.

En de vlinder?

We hebben de onderzoekers gevraagd hoe deze techniek zich verhoudt tot die van de ‘vlinderverf‘ waar de WUR enkele jaren geleden mee kwam. Van Gorp: “Ik heb het onderzoek van de WUR gelezen en net als wij gebruiken zij structurele kleur. Het belangrijkste verschil is dat hun verf na de fabricage één vaste kleur heeft, terwijl onze kleur juist achteraf en continu instelbaar is door het materiaal uit te rekken. Dat is ook precies het verschil tussen de vlinder en de kameleon: de vlinder heeft een prachtige maar vaste structuurkleur, terwijl de kameleon zijn kleur actief kan aanpassen aan de omgeving. Het WUR-werk richt zich vooral op duurzame, niet-vervagende verfcoatings, terwijl wij een ultradun silicium-metaoppervlak ontwikkelen dat als actief “pixelmateriaal” kan dienen. In plaats van statische schilderijen denken wij daarom eerder aan toekomstige (flexibele) beeldschermen of sensoren die van kleur veranderen.”