M barvivo

25. listopad 2009 | 06.00 |

Ani prací prášky, které slibují svěží barvy vypraného prádla, nedokážou zabránit postupnému blednutí barev oblečení na slunci. Jak to však umí dělat příroda, když na slunci neblednou barvy pavích per, krovek brouků či křídel motýlů? Tyto barvy nejdou namíchat z žádného pigmentu ani smícháním barev na malířské paletě. Jde totiž o tzv. strukturální barvy, které vznikají ohybem světla na periodických strukturách. Vědcům z jihokorejské Seoul National University a americké University of Karolina  se podařilo namíchat velmi neobvyklý inkoust, jenž dokáže napodobit dosud neuchopitelné strukturální barvy, které jsme obdivovali jen v přírodě. Takovéto barvy mají fantastické uplatnění pro různé přepisovatelné piktogramy a značky. Není vyloučeno, že si v budoucnu vymalujete pokoj strukturální barvou a až vás přestane bavit, za pomoci magnetického pole změníte barvu na jinou.

Nejprve vyrobili magneticky aktivní mikrokuličky. Rozpustili nanočástice magnetitu (Fe3O4) obalené oxidem křemičitým (SiO2) v roztoku akrylátu PEGDA, který je tvrditelný UV zářením. Do roztoku přimíchali minerální olej (jako nepolární rozpouštědlo). Po zamíchání vznikla emulze složená z malých kapiček akrylátu PEGDA, ve kterých byly obsaženy nanočástice magnetitu. Po vložení emulze do magnetického pole se mezi jednotlivými nanočásticemi naindukovala přitažlivá síla dipólového charakteru. Tu doplňuje odpudivá síla elektrostatické povahy vznikající mezi nanočásticemi díky přítomnosti rozpouštědla. Výsledek kombinace přitažlivé a odpudivé síly mezi nanočásticemi je mimořádně zajímavý: uvnitř každé kapičky se vytvoří lineární řetězce z nanočástic magnetitu s přesně definovanou periodicitou, které jsou orientovány ve směru působícího pole.

Potom byla emulze vystavena UV záření s vlnovou délkou 365 nm, které způsobilo vytvrzení akrylátu PEGDA (podobně jako UV lampa u zubaře). Jednotlivé kapičky emulze ztuhly a v nich zůstaly zafixovány rovnoběžné řetězce nanočástic magnetitu. Příliš velké kuličky v gravitačním poli sedimentovaly a bylo je možné odstranit. Průměrná velikost mikrokuliček v experimentu byla několik desítek mikrometrů a je možné ji ovlivnit volbou rozpouštědla.

Vzdálenost nanočástic v řetězcích je možné řídit intenzitou magnetického pole aplikovaného před ztuhnutím akrylátových kapiček.

Připravené mikrokuličky mají velmi zajímavé vlastnosti. Jsou superparamagnetické a velmi rychle reagují na magnetické pole. Autoři experimentu mikrokuličky umístili do velmi řídkého roztoku akrylátu a za pomoci magnetického pole je natáčeli do různých směrů. Mikrokuličky se díky periodickým strukturám uvnitř chovají jako fotopické krystaly a pokud na ně posvítíme běžným světlem, ohybové jevy způsobí při vhodné orientaci řetězců barevný vjem závislý na periodicitě řetězce. Stejným mechanismem vzniká barva na motýlích křídlech nebo ptačích pírkách Bez magnetického pole jsou mikrokuličky náhodně uspořádány a roztok má nahnědlé zabarvení dané skutečnou barvou magnetitu. Pokud magnetické pole vhodně kuličky stočí, uvidíme je barevné, například zelené (stav ON). Změníme-li směr pole a otočíme mikrokuličky o 90°, barva zmizí a mikrokuličky získají nevýrazné zabarvení (stav OFF). Pomocí magnetického pole můžeme samozřejmě kuličky natočit do jakéhokoli úhlu mezi stavy ON a OFF. Jakmile magnetické pole vypneme, roztok získá původní nahnědlou barvu, kuličky jsou orientovány chaoticky.

Mikrokuličky vidíme barevné jen tehdy, pokud působí magnetické pole, které natočí periodické struktury v nich správným směrem. Jakmile pole vymizí, zmizí i barva kuliček. Abychom viděli barvu trvale, je třeba mikrokuličky zafixovat v jejich polohách. Pokud jsou v akrylátu PEGDA, postačí ozářit vzorek UV zářením, PEGDA ztuhne a polohy kuliček již zůstanou fixní i při vypnutém poli. Taková fixace je trvalá a nelze ji už nikdy změnit. Pokud jsou mikrokuličky rozmístěny v tekutém vosku, postačí snížit teplotu a vosk ztuhne a zafixuje polohy kuliček. Při opětovném zahřátí se kuličky uvolní a můžeme s nimi opětovně manipulovat magnetickým polem. Taková vratná fixace může být užitečná pro mnoho aplikací. Obraz může být nahrazen jiným obrazem, například nějaká výstražná značka jinou značkou. Pro tepelnou fixaci může být vhodný polyetylénglykol (PEG), který má bod tuhnutí zhruba 46 °C, což je slabě nad pokojovou teplotou. Při pokojové teplotě jsou mikrokuličky fixovány ve svých polohách, po mírném zahřátí se uvolní a magnetickým polem je můžeme přeskupit do nové polohy.

Soustava mikrokuliček v akrylátu PEGDA  může být vhodná pro vytváření jednobarevných obrazů. Stačí, když UV záření vytvoří nějaký obrazec a zafixuje jen část objemu vzorku. Zbytek po vypnutí magnetického pole automaticky ztratí barvu a obraz je na světě. Jak ale vytvořit vícebarevné obrazy? Periodické struktury jsou v mikrokuličkách zafixovány a nelze změnit jejich periodu a tím jejich barvu. M barvivo je barevně laditelné magnetickým polem. Jednorozměrné řetězce již nejsou fixovány v mikrokuličkách. Změnou magnetického pole je možné měnit vzájemnou vzdálenost magnetických center a tím i vnímanou barvu.

Po zapnutí magnetického pole vznikne mezi nanoklastry přitažlivá síla dipólového charakteru. Na nanoklastry působí také elektrostatická síla odpudivé povahy způsobená přítomností rozpouštědla. Kombinace obou sil vede na vytváření jednorozměrných řetězců z nanoklastrů. Intenzitou magnetického pole je možné měnit vzdálenost mezi nanoklastry a tím barvu M barviva vznikající ohybem na periodické struktuře řetězce. Vznikající řetězce jsou orientovány ve směru působícího pole.

M barvivo může být naneseno v tenké vrstvě (filmu) na nějaký podklad (například sklo) a pak následuje několikrát za sebou základní cyklus (volba barvy, fixace): 1) pomocí intenzity magnetického pole je nastavena určitá barva. 2) UV zářením, které prochází přes modulátor, jsou vytvrzeny obrazové body odpovídající této barvě. Poté se proces opakuje. Magnetickým polem je v dosud tekuté části nastavena jiná barva a příslušné obrazové body vytvrzeny. Pak další a další. Nakonec se zbytek inkoustu vymyje.

Objevená technologie vytváření strukturálních barev by mohla být zanedlouho využita v praxi. Možnosti použití jsou neuvěřitelně široké. Jen při klasickém tisku má tato metoda řadu výhod: strukturální barvy nikdy nevyblednou, jsou připraveny za pomoci jediného inkoustu a není potřeba složitá paleta barev. Při tisku se podklad nepohybuje, a proto vůči sobě jednotlivé barvy nemohou být posunuté jako při klasických tiskových metodách. Není třeba používat žádné masky, v mezifázích se nemusí inkoust vymývat a tisk trvá pouhé sekundy. Tisk má mimořádně vysoké rozlišení a je naprosto nezaměnitelný s jinými tiskovými technikami. Na ohebném substrátu se budou barvy duhově měnit, což povede k dalším zajímavým efektům. Své místo si obrazce ze strukturálních barev mohou najít v ochranných prvcích cenin či autorizovaných dokumentů.. Pokud by nosné médium mohlo opakovaně přecházet mezi kapalným a pevným stavem (vosk, polyetylénglygol), bude možné již nakreslený obraz bez problémů zaměnit za jiný. M barvivo a jemu podobné systémy mohou sloužit jako detektory magnetického pole, biologické a chemické senzory, optické filtry a přepínače nebo jako různé optické prvky. V tuto chvíli asi ještě nelze plně odhadnout, kde všude se M barvivo může uplatnit.

podle Petra Kulhánka

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.33 (3x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře