Более пятисот миллионов лет назад природа изобрела удивительный механизм: яркие, переливающиеся цвета на перьях, крыльях и панцирях создавались не пигментами, а сложной микроскопической архитектурой, которая особым образом отражает свет. Эта «структурная окраска» веками очаровывала и ставила в тупик ученых. И вот исследователи из Тринити-колледжа в Дублине совершили серьезный прорыв, приблизив нас к созданию на ее основе передовых материалов.

Группа под руководством профессора Колма Делани из Школы химии Тринити и центра AMBER разработала новаторский метод, вдохновленный природой. Он позволяет создавать и программировать структурные цвета с помощью современной технологии микрофабрикации.

Подробности опубликованы в издании Advanced Materials.

Работа, поддержанная престижным грантом Европейского исследовательского совета, может найти серьезное применение в экологическом мониторинге, биомедицинской диагностике и создании новых оптических материалов.

Суть прорыва — в точном контроле над самоорганизацией наносфер, что всегда было сложнейшей задачей в материаловедении. Аспирантка Теодора Фараоне использовала особую высокоточную 3D-печать, чтобы управлять порядком и расположением этих крошечных сфер. Так можно заставить свет преломляться и создавать любой цвет радуги по заказу.

Это и была ключевая задача нашего проекта, — говорит профессор Делани, который как раз направляется в Университет Пердью, чтобы представить эти результаты на конференции MARSS. — Теперь мы можем тонко настраивать наноструктуры, чтобы они отражали яркие, программируемые цвета.

Новый материал обладает феноменальной чувствительностью: его цвет меняется от малейших колебаний в окружающей среде. Это открывает двери для создания химических и биологических сенсоров нового поколения.

Доктор Цзин Цянь, постдок и специалист по компьютерному моделированию в команде, подтвердила экспериментальные данные сложными симуляциями. Это помогло глубже понять, как наносферы самоорганизуются.

Уже сейчас команда объединяет свою технику программирования цвета с «умными» материалами, чтобы разработать крошечные микродатчики. Их цвет будет меняться в реальном времени. Эти сенсоры создаются в рамках европейского проекта IV-Lab, и одна из главных целей — разработать имплантируемые устройства для отслеживания биохимических изменений прямо внутри человеческого тела.

Коллаборация стала залогом нашего открытия, — отмечает профессор Делани, благодаря вклад коллег по Тринити, профессора Ларисы Флореа и профессора Луизы Брэдли. — Именно сочетание химии, материаловедения и физики позволило нам обуздать способность, которую природа и ее удивительные творения оттачивали миллионы лет.

От древних перьев до медицинских сенсоров будущего — эволюция цвета продолжается, и его будущее ярче и миниатюрнее, чем когда-либо .

Реальная польза этого исследования выходит далеко за рамки просто создания красивых материалов. Программируемые структурные цвета — это, по сути, новый язык, на котором материалы могут «сообщать» нам информацию. Представьте имплантат, который меняет цвет, если у пациента начинает развиваться воспаление или меняется уровень глюкозы. Это немедленный, визуальный сигнал без сложной электроники. В экологии такие сенсоры, нанесенные, например, на конструкции, могли бы детектировать утечки опасных веществ по изменению цвета. В логистике — указывать на нарушения температурного режима при перевозке лекарств или продуктов. Это переход от пассивных материалов к активным, „общающимся“ с миром.

Основной вопрос, который неизбежно встает перед подобными исследованиями, — это масштабируемость и долговечность. Высокоточная 3D-печать наноструктур, описанная в работе, часто остается дорогостоящей и медленной лабораторной методикой. Для массового применения в медицине или экологическом мониторинге потребуется найти более дешевые и быстрые методы производства, например, на основе самосборки в растворах или рулонной печати. Кроме того, стабильность этих наноструктур в реальных, агрессивных средах (внутри тела, под дождем, при перепадах температур) еще требует тщательного изучения. Лабораторный прототип — лишь первый, хоть и блестящий, шаг.

Ранее российские ученые выяснили, как цвет в архитектуре влияет на самоконтроль человека.