ลองนึกภาพการยืดแผ่นฟิล์มเพื่อเปิดเผยข้อความที่ซ่อนอยู่ หรือตรวจสีของวงแขนเพื่อวัดมวลกล้ามเนื้อ หรือใส่ชุดว่ายน้ำที่จะเปลี่ยนสีเมื่อคุณวิ่งเป็นรอบ วัสดุที่เปลี่ยนสีได้เหมือนกิ้งก่าอาจอยู่บนขอบฟ้าด้วยเทคนิคการถ่ายภาพที่ได้รับการฟื้นคืนชีพและนำมาใช้ใหม่โดยวิศวกรของ MIT
ด้วยการใช้เทคนิคการถ่ายภาพสีในศตวรรษที่ 19 กับวัสดุโฮโลแกรมสมัยใหม่ ทีมงานของ MIT ได้พิมพ์ภาพขนาดใหญ่ลงบนวัสดุที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งเมื่อยืดออกแล้วจะสามารถเปลี่ยนสีได้ โดยสะท้อนความยาวคลื่นที่แตกต่างกันเมื่อวัสดุถูกตึง
นักวิจัยได้ผลิตฟิล์มยืดที่พิมพ์ด้วยช่อดอกไม้ที่มีรายละเอียด ซึ่งจะเปลี่ยนจากเฉดสีอบอุ่นเป็นโทนเย็นเมื่อฟิล์มถูกยืดออก พวกเขายังพิมพ์ฟิล์มที่เผยให้เห็นรอยประทับของวัตถุต่างๆ เช่น สตรอเบอร์รี่ เหรียญ และลายนิ้วมือ
ผลลัพธ์ของทีมเป็นเทคนิคการผลิตที่ปรับขนาดได้เป็นครั้งแรกสำหรับการผลิตวัสดุที่มีรายละเอียดขนาดใหญ่ด้วย “สีที่มีโครงสร้าง” ซึ่งเป็นสีที่เกิดขึ้นจากโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ มากกว่าที่จะมาจากสารเคมีหรือสีย้อม
Benjamin Miller นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลของ MIT กล่าวว่า “การปรับขนาดวัสดุเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย เพราะคุณจำเป็นต้องควบคุมโครงสร้างเหล่านี้ในระดับนาโน “ตอนนี้เราเคลียร์อุปสรรคในการปรับขนาดแล้ว เราสามารถสำรวจคำถามเช่น: เราสามารถใช้วัสดุนี้เพื่อสร้างผิวหนังหุ่นยนต์ที่มีสัมผัสเหมือนมนุษย์ได้หรือไม่? และเราสามารถสร้างอุปกรณ์สัมผัสสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นเทคโนโลยีเสมือนจริงหรือการฝึกอบรมทางการแพทย์ได้หรือไม่? มันเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่ที่เรากำลังดูอยู่ตอนนี้”
ผลงานของทีมปรากฏในวันนี้ในNature Materials ผู้เขียนร่วมของ Miller ได้แก่ Helen Liu ระดับปริญญาตรีจาก MIT และ Mathias Kolle รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลที่ MIT
เหตุการณ์โฮโลแกรม
กลุ่มของ Kolle พัฒนาวัสดุเกี่ยวกับการมองเห็นที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ นักวิจัยได้ศึกษาคุณสมบัติการสะท้อนแสงของเปลือกหอยมอลลัสก์ ปีกผีเสื้อ และสิ่งมีชีวิตสีรุ้งอื่นๆ ซึ่งดูเหมือนว่าจะมีแสงระยิบระยับและเปลี่ยนสีเนื่องจากโครงสร้างพื้นผิวด้วยกล้องจุลทรรศน์ โครงสร้างเหล่านี้ทำมุมและทำเป็นชั้นเพื่อสะท้อนแสงเหมือนกระจกสีขนาดเล็ก หรือสิ่งที่วิศวกรเรียกว่าตัวสะท้อนแสงแบรกก์
กลุ่มต่างๆ ซึ่งรวมถึง Kolle’s ได้พยายามจำลองสีโครงสร้างที่เป็นธรรมชาตินี้ในวัสดุโดยใช้เทคนิคที่หลากหลาย ความพยายามบางอย่างได้ผลิตตัวอย่างขนาดเล็กที่มีโครงสร้างระดับนาโนที่แม่นยำ ในขณะที่บางตัวได้สร้างตัวอย่างที่ใหญ่กว่า แต่มีความแม่นยำทางแสงน้อยกว่า
ตามที่ทีมเขียน “แนวทางที่ให้ทั้ง [การควบคุมระดับไมโครและความสามารถในการปรับขนาด] ยังคงเข้าใจยาก แม้ว่าจะมีการใช้งานที่มีผลกระทบสูงหลายครั้งก็ตาม”
ขณะสงสัยว่าจะแก้ปัญหานี้อย่างไร มิลเลอร์บังเอิญไปเยี่ยมชมพิพิธภัณฑ์ MIT ซึ่งภัณฑารักษ์ได้พูดคุยกับเขาผ่านการจัดแสดงเกี่ยวกับภาพสามมิติ ซึ่งเป็นเทคนิคที่สร้างภาพสามมิติโดยการวางลำแสงสองลำทับบนวัสดุทางกายภาพ
“ฉันตระหนักว่าสิ่งที่พวกเขาทำในการถ่ายภาพสามมิติก็เหมือนกับที่ธรรมชาติทำกับสีที่มีโครงสร้าง” มิลเลอร์กล่าว
การมาเยือนครั้งนั้นกระตุ้นให้เขาอ่านหนังสือเกี่ยวกับภาพสามมิติและประวัติศาสตร์ ซึ่งทำให้เขาย้อนกลับไปในช่วงปลายทศวรรษ 1800 และการถ่ายภาพของลิปมันน์ ซึ่งเป็นเทคนิคการถ่ายภาพสีในยุคแรกๆ ที่คิดค้นโดยกาเบรียล ลิปมันน์ นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส-ลักเซมเบิร์ก ซึ่งต่อมาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับ เทคนิค.
ลิปมันน์สร้างภาพถ่ายสีโดยเริ่มจากการวางกระจกไว้ด้านหลังอิมัลชันโปร่งแสงที่บางมาก ซึ่งเป็นวัสดุที่เขาประดิษฐ์ขึ้นจากเม็ดเล็กๆ ที่ไวต่อแสง เขาเปิดฉากกับลำแสงซึ่งกระจกสะท้อนกลับผ่านอิมัลชัน การรบกวนของคลื่นแสงที่เข้าและออกได้กระตุ้นเกรนของอิมัลชันเพื่อกำหนดตำแหน่งใหม่ เช่นเดียวกับกระจกเล็กๆ หลายๆ บาน และสะท้อนรูปแบบและความยาวคลื่นของแสงที่ส่องลงมา
ด้วยเทคนิคนี้ ลิปมันน์จึงฉายภาพสีเชิงโครงสร้างของดอกไม้และฉากอื่นๆ ลงบนอิมัลชันของเขา แม้ว่ากระบวนการนี้จะต้องใช้ความพยายามอย่างมาก มันเกี่ยวข้องกับการประดิษฐ์อิมัลชันด้วยมือและรอเป็นเวลาหลายวันเพื่อให้วัสดุได้รับแสงเพียงพอ เนื่องจากข้อจำกัดเหล่านี้ เทคนิคนี้จึงค่อยๆ จางหายไปในประวัติศาสตร์
ความทันสมัย
มิลเลอร์สงสัยว่าเมื่อจับคู่กับวัสดุโฮโลแกรมที่ทันสมัยแล้ว การถ่ายภาพของลิปมันน์จะเร่งให้ผลิตวัสดุที่มีสีเชิงโครงสร้างขนาดใหญ่ได้หรือไม่ เช่นเดียวกับอิมัลชันของ Lippmann วัสดุโฮโลแกรมในปัจจุบันประกอบด้วยโมเลกุลที่ไวต่อแสงซึ่งเมื่อสัมผัสกับโฟตอนที่เข้ามาสามารถเชื่อมขวางเพื่อสร้างกระจกสีได้
“สารเคมีของวัสดุโฮโลแกรมสมัยใหม่เหล่านี้ตอบสนองได้ดีมากจนทำให้เทคนิคนี้สามารถทำได้ในระยะเวลาอันสั้นเพียงแค่ใช้โปรเจ็กเตอร์” โคลเล่กล่าว
ในการศึกษาครั้งใหม่ ทีมงานได้ติดฟิล์มโฮโลแกรมที่ยืดหยุ่นและโปร่งใสไว้บนพื้นผิวที่สะท้อนแสงคล้ายกระจก (ในกรณีนี้คือแผ่นอลูมิเนียม) จากนั้นนักวิจัยได้วางเครื่องฉายนอกชั้นวางห่างจากภาพยนตร์หลายฟุต และฉายภาพไปยังแต่ละตัวอย่าง รวมทั้งช่อดอกไม้แบบลิปมัน
ตามที่พวกเขาสงสัย ภาพยนตร์สร้างภาพขนาดใหญ่ที่มีรายละเอียดสูงภายในเวลาหลายนาที แทนที่จะเป็นวัน โดยสร้างสีในภาพต้นฉบับได้อย่างเต็มตา
จากนั้นพวกเขาลอกฟิล์มออกจากกระจกแล้วติดเข้ากับซิลิโคนยางยืดสีดำเพื่อรองรับ พวกเขายืดฟิล์มและสังเกตการเปลี่ยนสี ซึ่งเป็นผลมาจากสีโครงสร้างของวัสดุ: เมื่อวัสดุยืดและบางออก โครงสร้างระดับนาโนของมันจะกำหนดค่าใหม่เพื่อสะท้อนความยาวคลื่นที่แตกต่างกันเล็กน้อย เช่น เปลี่ยนจากสีแดงเป็นสีน้ำเงิน
ทีมงานพบว่าสีของฟิล์มมีความไวต่อความเครียดสูง หลังจากผลิตฟิล์มสีแดงทั้งหมดแล้ว พวกเขายึดติดกับแผ่นรองซิลิโคนที่มีความหนาต่างกัน ส่วนที่ด้านหลังบางที่สุด ฟิล์มยังคงเป็นสีแดง ในขณะที่ส่วนที่หนากว่าจะทำให้ฟิล์มตึง ทำให้กลายเป็นสีน้ำเงิน
ในทำนองเดียวกัน พวกเขาพบว่าการกดวัตถุต่างๆ ลงในตัวอย่างฟิล์มสีแดงทำให้เกิดรอยประทับสีเขียวที่มีรายละเอียด ซึ่งเกิดจากเมล็ดของสตรอเบอร์รี่และรอยย่นของลายนิ้วมือ
ที่น่าสนใจคือ พวกเขาสามารถฉายภาพที่ซ่อนอยู่ได้ด้วยการเอียงฟิล์มทำมุมที่สัมพันธ์กับแสงที่เข้ามาเมื่อสร้างกระจกสี ความเอียงนี้โดยพื้นฐานแล้วทำให้โครงสร้างนาโนของวัสดุสะท้อนแสงสเปกตรัมสีแดง ตัวอย่างเช่น แสงสีเขียวที่ใช้ในระหว่างการเปิดเผยและการพัฒนาของวัสดุจะนำไปสู่การสะท้อนแสงสีแดง และการเปิดรับแสงสีแดงจะให้โครงสร้างที่สะท้อนอินฟราเรด ซึ่งเป็นความยาวคลื่นที่มนุษย์มองไม่เห็น เมื่อวัสดุถูกยืดออก ภาพที่มองไม่เห็นนี้จะเปลี่ยนสีเพื่อแสดงตัวเองเป็นสีแดง
“คุณสามารถเข้ารหัสข้อความด้วยวิธีนี้ได้” Kolle กล่าว
โดยรวมแล้ว เทคนิคของทีมเป็นเทคนิคแรกที่ช่วยให้สามารถฉายภาพขนาดใหญ่ของวัสดุที่มีรายละเอียดและมีสีสันเชิงโครงสร้างได้
Sylvia Vignolini ศาสตราจารย์ด้านเคมีและวัสดุชีวภาพจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์กล่าวว่า “ความงามของงานนี้คือการที่พวกเขาได้พัฒนาวิธีการที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในการผลิตโครงสร้างโฟโตนิกที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ การเรียน. “เทคนิคนี้อาจเปลี่ยนเกมสำหรับการเคลือบและบรรจุภัณฑ์ และสำหรับอุปกรณ์สวมใส่”
อันที่จริง Kolle ตั้งข้อสังเกตว่าวัสดุที่เปลี่ยนสีใหม่สามารถรวมเข้ากับสิ่งทอได้อย่างง่ายดาย
“วัสดุของ Lippmann จะไม่อนุญาตให้เขาผลิต Speedo ด้วยซ้ำ” เขากล่าว “ตอนนี้เราทำชุดรัดรูปเต็มตัวได้แล้ว”
นอกเหนือจากแฟชั่นและสิ่งทอแล้ว ทีมงานกำลังสำรวจการใช้งานต่างๆ เช่น ผ้าพันแผลที่เปลี่ยนสีได้ สำหรับใช้ในการตรวจสอบระดับความดันของผ้าพันแผลเมื่อรักษาอาการต่างๆ เช่น แผลในหลอดเลือดดำและความผิดปกติของน้ำเหลืองบางชนิด
งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการสนับสนุนโดย The Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation ที่ Brigham and Women’s Hospital, National Science Foundation, MIT Deshpande Center for Technological Innovation, Samsung และ MIT ME MathWorks seed fund
