Un team di ricerca dell’Università di Amsterdam ha scoperto un nanomateriale camaleontico che può adattare il suo colore alle sollecitazioni meccaniche.
Ispirandosi all’arte giapponese del kirigami, gli scienziati dell’Università di Amsterdam hanno sviluppato un materiale in grado di riflettere diversi colori della luce, a seconda di come viene allungato, cambiando colore a seconda delle sollecitazioni meccaniche. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista ACS Photonics e riportati da Phys.org.
Simile al suo parente forse più noto, l’origami, l’arte giapponese di piegare la carta, il kirigami è una forma d’arte in cui la carta viene sia piegata sia tagliata. Gli strabilianti disegni tridimensionali creati dagli artisti del kirigami hanno ispirato un team di fisici dell’Università di Amsterdam a progettare un tipo di materiale altrettanto spettacolare: un materiale che cambia colore in modo fluido quando viene allungato.
Il colore dalla struttura
Nei materiali comuni, il colore è il risultato della composizione del materiale. Pensate ai pigmenti nelle vernici o alle tinture nei tessuti. Una volta scelto un materiale, anche il colore è quindi fisso. Nel nuovo materiale, è la struttura a determinarne il colore. Questo tipo di colore, chiamato “colore strutturale”, ha l’enorme vantaggio di poter essere facilmente modificato in qualsiasi momento.
In laboratorio, i materiali possono essere progettati per presentare proprietà personalizzate. Questi cosiddetti metamateriali sono costituiti da minuscole strutture molto più piccole dello spessore di un capello umano, e il loro colore deriva dalla forma e dalla disposizione di queste minuscole strutture, in effetti molto simile all’arte del kirigami. Quando il materiale viene allungato, i suoi motivi microscopici si muovono e ruotano, modificando il modo in cui la luce si riflette sulla superficie. Di conseguenza, durante l’allungamento, il colore della luce riflessa da questa “pelle di camaleonte nanometrica” vira dolcemente dal verde al giallo e infine al rosso.
Meccanica e ottica
La progettazione del materiale non è stata un processo semplice, ricorda il primo autore Freek van Gorp: “All’inizio, abbiamo dovuto affrontare una sfida importante: il materiale che volevamo utilizzare, il silicio, è piuttosto fragile su scala macroscopica. Inizialmente abbiamo provato a posizionare minuscole particelle di silicio sopra o all’interno di un substrato flessibile, ma il substrato stesso ha introdotto nuove complicazioni. La vera svolta è arrivata quando abbiamo iniziato a chiederci se avessimo davvero bisogno di un substrato. Trasformando il silicio in una sottile maglia strutturata, abbiamo potuto rendere il materiale flessibile e funzionale. Questo approccio ha permesso di combinare metasuperfici ottiche con metamateriali meccanici in un unico progetto, consentendo l’effetto di regolazione del colore che abbiamo dimostrato in questo lavoro.”
Jorik van de Groep, responsabile del laboratorio di nanofotonica 2D in cui è stata condotta la ricerca, aggiunge: “La novità cruciale risiede nella multifunzionalità della struttura. Grazie alla nanomodellazione della sottile membrana di silicio, siamo riusciti a farla funzionare simultaneamente come un metamateriale meccanico che governa le rotazioni e gli spostamenti interni, nonché come una metasuperficie ottica che sfrutta la diffusione della luce risonante da parte della struttura, dando origine al colore strutturale regolabile”.
Dalla simulazione alla realtà
Con il progetto del materiale completato, i ricercatori stanno attualmente lavorando per trasferire il concetto dalla simulazione alla realtà, realizzando una vera e propria metasuperficie flessibile nella camera bianca del vicino istituto di ricerca AMOLF.
Ora che è stato dimostrato come la luce possa essere controllata dal movimento piuttosto che dalla chimica, l’implementazione dell’idea in un metamateriale completamente funzionale è il passo successivo ovvio, aprendo possibilità nel prossimo futuro per rivestimenti con colori regolabili, sensori intelligenti e dispositivi ottici leggeri che si adattano all’ambiente.
Foto F. van Gorp et al., ACS Photonics.