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2022-08-02Los ingenieros reutilizan la técnica fotográfica del siglo XIX para hacer películas elásticas que cambian de color

MIT |La técnica abre una puerta a la fabricación de vendajes para monitorear la presión, telas que cambian de tono o robots sensibles al tacto.

Imagine estirar un trozo de película para revelar un mensaje oculto. O comprobar el color de un brazalete para medir la masa muscular. O luciendo un traje de baño que cambia de tono a medida que das vueltas. Tales materiales camaleónicos que cambian de color podrían estar en el horizonte, gracias a una técnica fotográfica que ha sido resucitada y reutilizada por ingenieros del MIT.

Al aplicar una técnica de fotografía en color del siglo XIX a materiales holográficos modernos, un equipo del MIT imprimió imágenes a gran escala en materiales elásticos que, cuando se estiran, pueden transformar su color, reflejando diferentes longitudes de onda a medida que se tensa el material.

Los investigadores produjeron películas elásticas impresas con ramos de flores detallados que se transforman de tonos cálidos a más fríos cuando se estiran las películas. También imprimieron películas que revelan la huella de objetos como una fresa, una moneda y una huella dactilar.

Los resultados del equipo proporcionan la primera técnica de fabricación escalable para producir materiales detallados a gran escala con "color estructural", color que surge como consecuencia de la estructura microscópica de un material, en lugar de aditivos químicos o colorantes.

“Escalar estos materiales no es trivial, porque es necesario controlar estas estructuras a nanoescala”, dice Benjamin Miller, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. “Ahora que hemos superado este obstáculo de escalamiento, podemos explorar preguntas como: ¿Podemos usar este material para hacer una piel robótica que tenga un sentido del tacto similar al humano? ¿Y podemos crear dispositivos de detección táctil para cosas como la realidad virtual aumentada o la formación médica? Es un gran espacio el que estamos viendo ahora”.

Los resultados del equipo aparecen hoy en Nature Materials . Los coautores de Miller son la estudiante del MIT Helen Liu y Mathias Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.

Suceso de holograma

El grupo de Kolle desarrolla materiales ópticos inspirados en la naturaleza. Los investigadores han estudiado las propiedades de reflexión de la luz en las conchas de los moluscos, las alas de las mariposas y otros organismos iridiscentes, que parecen brillar y cambiar de color debido a estructuras superficiales microscópicas. Estas estructuras están en ángulo y en capas para reflejar la luz como espejos de colores en miniatura, o lo que los ingenieros llaman reflectores Bragg.

Grupos que incluyen a Kolle han buscado replicar este color estructural natural en materiales usando una variedad de técnicas. Algunos esfuerzos han producido muestras pequeñas con estructuras precisas a nanoescala, mientras que otros han generado muestras más grandes, pero con menos precisión óptica.

Como escribe el equipo, "un enfoque que ofrece tanto [control de microescala como escalabilidad] sigue siendo difícil de alcanzar, a pesar de varias aplicaciones potenciales de alto impacto".

Mientras se preguntaba cómo resolver este desafío, Miller visitó el Museo del MIT, donde un curador lo habló sobre una exhibición sobre holografía, una técnica que produce imágenes tridimensionales al superponer dos haces de luz en 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”, dice Miller.

Esa visita lo impulsó a leer sobre la holografía y su historia, lo que lo llevó a fines del siglo XIX, y la fotografía de Lippmann, una de las primeras técnicas de fotografía en color inventada por el físico franco-luxemburgués Gabriel Lippmann, quien más tarde ganó el Premio Nobel de Física por la técnica.

Lippmann generó fotografías en color colocando primero un espejo detrás de una emulsión transparente muy delgada, un material que inventó a partir de pequeños granos sensibles a la luz. Expuso la configuración 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 los granos de la emulsión para reconfigurar su posición, como muchos espejos diminutos, y reflejar el patrón y la longitud de onda de la luz expuesta.

Usando esta técnica, Lippmann proyectó imágenes de flores y otras escenas coloreadas estructuralmente en sus emulsiones, aunque el proceso fue laborioso. Involucró 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 se desvaneció en gran medida en la historia.

Un toque moderno

Miller se preguntó si, junto con materiales holográficos modernos, la fotografía de Lippmann podría acelerarse para producir materiales estructuralmente 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 entrecruzarse para formar espejos de colores.

“Las químicas de estos materiales holográficos modernos ahora son tan receptivas que es posible realizar esta técnica en un corto período de tiempo simplemente con un proyector”, señala Kolle.

En su nuevo estudio, el equipo adhirió una película holográfica transparente y elástica sobre una superficie reflectante similar a un espejo (en este caso, una hoja de aluminio). Luego, los investigadores colocaron un proyector listo para usar a varios pies de la película y proyectaron imágenes en cada muestra, incluidos los ramos de flores 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.

Luego despegaron la película del espejo y la pegaron a un respaldo de silicona elástica negra como soporte. 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 respaldo de silicona que variaba en grosor. Donde el respaldo era más delgado, la película permanecía roja, mientras que las secciones más gruesas tensan la película, haciendo que se vuelva azul.

De manera similar, descubrieron que presionar varios objetos en muestras de película roja dejaba 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 esencialmente hizo que las nanoestructuras del material reflejaran un espectro de luz desplazado hacia el rojo. Por ejemplo, la luz verde utilizada durante la exposición y el desarrollo del material daría lugar a que se refleje la luz roja, y la exposición a la luz roja daría lugar a estructuras que reflejan el infrarrojo, una longitud de onda que no es visible para los humanos. Cuando el material se estira, esta imagen invisible cambia de color para revelarse en rojo.

“Podrías codificar mensajes de esta manera”, dice Kolle.

En general, la técnica del equipo es la primera en permitir la proyección a gran escala de materiales detallados y estructuralmente coloreados.

"La belleza de este trabajo es el hecho de que han desarrollado una forma simple pero extremadamente efectiva de producir estructuras fotónicas de gran área", dice Sylvia Vignolini, profesora de química y biomateriales en la Universidad de Cambridge, que no participó en el proyecto. el estudio. “Esta técnica podría cambiar las reglas del juego para recubrimientos y empaques, y también para dispositivos portátiles”.

De hecho, Kolle señala que los nuevos materiales que cambian de color se integran fácilmente en los textiles.

“Los materiales de Lippmann no le habrían permitido ni siquiera producir un Speedo”, dice. “Ahora podríamos hacer un maillot completo”.

Más allá de la moda y los textiles, el equipo está explorando aplicaciones como los vendajes que cambian de color, para monitorear los niveles de presión de los vendajes cuando se tratan afecciones como úlceras venosas y ciertos trastornos linfáticos.

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation en el Brigham and Women´s Hospital, la National Science Foundation, el MIT Deshpande Center for Technological Innovation, Samsung y el fondo semilla MIT ME MathWorks.

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