Científicos de materiales del MIT han desvelado un espacio de diseño de materiales rico y fácil de controlar, hasta ahora inalcanzable con cualquier técnica de la competencia, aprovechando el trabajo pionero de fotografía en color del premio Nobel Gabriel Lippmann.

Fabricación óptica de materiales estirables que cambian de color a macroescala: (a) los patrones estructurales de color se registran como variaciones periódicas del índice de refracción en el fotoelastómero a través de ondas estacionarias que resultan de la exposición a un patrón de luz proyectado que se refleja en el soporte del espejo; (b) el color estructural resultante coincide con la distribución espectral del patrón de exposición; cuando el material se estira o se comprime, la periodicidad de la estructura fotónica registrada cambia, provocando un cambio de color predecible y reversible. Crédito de la imagen: Miller et al., doi: 10.1038/s41563-022-01318-x / MIT Communication Initiatives.

Fabricación óptica de materiales estirables que cambian de color a macroescala: (a) los patrones estructurales de color se registran como variaciones periódicas del índice de refracción en el fotoelastómero a través de ondas estacionarias que resultan de la exposición a un patrón de luz proyectado que se refleja en el soporte del espejo; (b) el color estructural resultante coincide con la distribución espectral del patrón de exposición; cuando el material se estira o se comprime, la periodicidad de la estructura fotónica registrada cambia, provocando un cambio de color predecible y reversible. Crédito de la imagen: Miller et al., doi: 10.1038/s41563-022-01318-x / MIT Communication Initiatives.

Los materiales estructuralmente coloreados que cambian su color en respuesta a estímulos mecánicos son especialmente adecuados para la detección óptica y la comunicación visual.

El principal obstáculo para su adopción generalizada es la falta de técnicas de fabricación que ofrezcan un control espacial de las estructuras a nanoescala de los materiales en áreas a macroescala.

«Un enfoque que ofrezca tanto control a microescala como escalabilidad es esquivo, a pesar de varias aplicaciones potenciales de gran impacto», dijo Benjamin Miller, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Mientras se preguntaba cómo resolver el problema, Miller visitó por casualidad el Museo del MIT, donde un conservador le habló de una exposición sobre holografía, una técnica que produce imágenes en 3D mediante la superposición de dos haces de luz sobre un material físico.

«Me di cuenta de que lo que hacen en la holografía es más o menos lo mismo que hace la naturaleza con el color estructural», dijo Miller.

Esa visita le animó a informarse sobre la holografía y su historia, lo que le llevó al siglo XIX y a la fotografía Lippmann, una de las primeras técnicas de fotografía en color inventada por el físico franco-luxemburgués Gabriel Lippmann, que posteriormente ganó el Premio Nobel de Física por esta técnica.

Lippmann generó fotos en color colocando primero un espejo detrás de una emulsión muy fina y transparente, un material que inventó a partir de pequeños granos sensibles a la luz. Expuso el montaje a un haz de luz, que el espejo reflejó a través de la emulsión.

La interferencia de las ondas de luz entrantes y salientes estimuló a los granos de la emulsión a reconfigurar su posición, como muchos espejos diminutos, y a reflejar el patrón y la longitud de onda de la luz de exposición.

Con esta técnica, Lippmann proyectó en sus emulsiones imágenes estructuralmente coloreadas de flores y otras escenas, aunque el proceso era laborioso.

Implicaba la elaboración manual de las emulsiones y la espera de días para que el material estuviera suficientemente expuesto a la luz. Debido a estas limitaciones, la técnica pasó a la historia.

Miller se preguntaba si, combinada con materiales holográficos modernos, la fotografía Lippmann podría acelerarse para producir materiales coloreados a gran escala.

Al igual que las emulsiones de Lippmann, los materiales holográficos actuales consisten en moléculas sensibles a la luz que, cuando se exponen a los fotones entrantes, pueden reticularse para formar espejos de colores.

«La química de estos materiales holográficos modernos es ahora tan sensible que es posible realizar esta técnica en una escala de tiempo corta simplemente con un proyector», dijo el Dr. Mathias Kolle, también del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

En su estudio, los autores adhirieron una película holográfica elástica y transparente sobre una superficie reflectante y de espejo (en este caso, una lámina de aluminio).

A continuación, colocaron un proyector de uso corriente a varios metros de la película y proyectaron imágenes sobre cada muestra, incluyendo ramos de flores de estilo Lippman.

Como sospechaban, las películas produjeron imágenes grandes y detalladas en varios minutos, en lugar de días, reproduciendo vívidamente los colores de las imágenes originales.

A continuación, despegaron la película del espejo y la pegaron a un soporte negro de silicona elástica para que sirviera de apoyo.

Estiraron la película y observaron que los colores cambiaban, una consecuencia del color estructural del material: cuando el material se estira y adelgaza, sus estructuras a nanoescala se reconfiguran para reflejar longitudes de onda ligeramente diferentes, por ejemplo, cambiando de rojo a azul.

El equipo descubrió que el color de la película es muy sensible a la tensión. Después de producir una película completamente roja, la adhirieron a un soporte de silicona que variaba en grosor. En los lugares en los que el soporte era más fino, la película seguía siendo roja, mientras que las secciones más gruesas tensaban la película, haciendo que se volviera azul.

Del mismo modo, los científicos descubrieron que al presionar varios objetos en muestras de la película roja quedaban huellas verdes detalladas, causadas, por ejemplo, por las semillas de una fresa y las arrugas de una huella dactilar.

Curiosamente, también podían proyectar imágenes ocultas, inclinando la película en un ángulo con respecto a la luz entrante al crear los espejos de colores.

Esta inclinación hacía que las nanoestructuras del material reflejaran un espectro de luz desplazado al rojo.

Por ejemplo, la luz verde utilizada durante la exposición y el desarrollo del material haría que se reflejara la luz roja, y la exposición a la luz roja daría lugar a estructuras que reflejarían el infrarrojo, una longitud de onda que no es visible para los humanos.

Cuando el material se estira, esta imagen, de otro modo invisible, cambia de color para revelarse en rojo.

«Se podrían codificar mensajes de esta manera», dijo el Dr. Kolle.

El artículo del equipo aparece esta semana en la revista Nature Materials.

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B.H. Miller et al. Fabricación óptica escalable de color estructural dinámico en materiales estirables. Nat. Mater, publicado en línea el 1 de agosto de 2022; doi: 10.1038/s41563-022-01318-x

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