تقلید علمی از توانایی تغییر رنگ سرپایان

محققان موفق شدند با الهام از توانایی تغییر رنگ در سرپایان ، یک سیستم کلوئیدی هوشمند بسازند که تفکیک فاز چند بعدی کنترل شده با نور را تسهیل می کند.

به گزارش تکناک، پوست سرپایان (حیواناتی با شاخک های متصل به سر) ظرفیت فوق العاده ای برای استتار در طبیعت دارد. پوست آنها از خوشه رنگدانه هایی تشکیل شده است که قادر به تشخیص تغییرات در تنظیمات نور محیطی و تغییر جنبه بصری آنها از طریق سلول های رنگدانه است. علیرغم پیچیدگی آن، این ظرفیت برای تغییر رنگ اساساً به یک مکانیسم مکانیکی متکی است، جایی که ذرات رنگدانه تحت دستور عضلات شعاعی دستکاری می شوند.

این پدیده طبیعی چشمگیر؛ الهام بخش دکتر جینیائو تانگ و تیم تحقیقاتی او از گروه شیمی در دانشگاه هنگ کنگ (HKU) بوده است. آنها با همکاری دانشمندان دانشگاه علم و صنعت هنگ کنگ و دانشگاه Xiamen، یک سیستم کلوئیدی هوشمند ابتکاری انتخابی با طول موج ایجاد کرده اند که تفکیک فاز چند بعدی کنترل شده با نور را تسهیل می کند.

این تیم تحقیقاتی با مخلوط کردن ریزدانه‌های فیروزه‌ای، سرخابی و زرد، نانوخوشه‌های فتوکرومیک پویا را تشکیل می‌دهند و به فوتوکرومیسم در مقیاس ماکرو دست می‌یابند. این فتوکرومیسم ماکروسکوپی متکی به لایه‌بندی فاز عمودی ناشی از نور در مخلوط میکروبیدهای فعال است که منجر به غنی‌سازی ریزدانه‌های رنگی مربوط به طیف فرودی می‌شود.

برخلاف مواد تغییر رنگ موجود، این گروه کلوئیدی فتوکرومیک جدید به جای تولید کروموفورهای جدید در محل، به ترتیب مجدد رنگدانه های موجود متکی است؛ بنابراین قابل اطمینان تر و قابل برنامه ریزی است. یافته‌های محققان روش ساده‌ای را برای کاربردهایی مانند جوهر الکترونیکی، نمایشگرها و استتار نوری فعال ارائه می‌دهد که همه این ها نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ در زمینه ماده فعال است. نتایج تحقیق اخیراً در مجله معتبر دانشگاهی Nature منتشر شده است.

ذرات فعال، میکرو یا نانوذراتی هستند که رفتار جهت‌دار میکروارگانیسم‌ها در مایع را شبیه‌سازی می‌کنند. این ذرات در حوزه علم نانو و فیزیک غیرتعادلی بسیار مورد توجه قرار گرفته و در حال توسعه برای کاربردهای موثر در زمینه زیست پزشکی هستند. یکی از هدف‌های اصلی تحقیقات درباره ذرات فعال، طراحی میکرو یا نانوربات‌های پزشکی بر اساس این ذرات است که قابلیت دارورسانی و جراحی غیرتهاجمی را داشته باشند. با این حال، ساختار ذرات فعال بسیار ساده است و مکانیسم حرکت و تفاهم آن‌ها با محیط به طور قابل توجهی محدود است.

به طور خاص، اندازه و ساختار نسبتاً ساده ذرات فعال میکرو یا نانو، پیچیدگی اجرای عملکردها را بر روی بدن آنها محدود می‌کند. چالش و کلید تحقق کاربرد آینده این ذرات این است که چگونه با وجود ساختار ساده آنها، ذراتی فعال با ویژگی های هوشمند بسازیم.

ریزشناگران با انرژی نور که نوعی ذرات فعال خود فعال هستند، اخیراً با هدف ایجاد نانوروبات قابل کنترل ساخته شده اند که پتانسیلی برای کاربردهای زیست پزشکی و مواد جدید کاربردی را ارائه می دهد، زیرا به لطف ماهیت شناگر آن ها، می توان جهت هم ترازی و برهمکنش بین ذرات را به آسانی انجام داد. در این فرآیند نور فرودی، نه تنها حرکت حساس به نور را در ریزشناگران القا می کند، بلکه تعامل موثر بین ذرات را نیز تغییر می دهد.

برای مثال، واکنش‌های فوتوکاتالیستی می‌توانند میدان گرادیان شیمیایی محلی را تغییر دهند، که به نوبه خود بر مسیر حرکت ذرات همسایه از طریق اثر شنای انتشار تأثیر می‌گذارد و در نتیجه جذب یا دافعه دوربرد می‌شود.

در این تحقیق، تیم تانگ بر اساس تحقیقات قبلی خود بر روی ریزشناگران با انرژی نور، یک سیستم ریزدانه فعال TiO2 انتخابی با طول موج ساده طراحی کردند. پس از تحریک نوری، واکنش ردوکس روی ذرات TiO2 یک گرادیان شیمیایی ایجاد می‌کند که برهمکنش مؤثر ذره-ذره را تنظیم می‌کند.

یعنی تعامل ذره-ذره را می توان با ترکیب نور فرودی با طول موج ها و شدت های مختلف کنترل کرد. ریزدانه‌های TiO2 با فعالیت‌های حساس به نورهای مختلف را می‌توان با انتخاب کدهای حساس‌سازی رنگ با ویژگی‌های طیفی مختلف تشکیل داد. با مخلوط کردن چندین گونه میکروبید TiO2 که با رنگ‌هایی با طیف‌های جذبی مختلف بارگذاری شده‌اند و با تنظیم طیف‌های نور فرودی، تفکیک ذرات بر اساس تقاضا محقق می‌شود.

هدف از تحقق تفکیک فاز ذرات، کنترل تجمع و پراکندگی ذرات در مایع در هر دو سطح خرد و کلان است. به طور موثر، این کار منجر به ساخت یک جوهر جدید حساس به نور با مخلوط کردن ریزدانه‌هایی با حساسیت به عکس متفاوت شد که ممکن است روی کاغذ الکترونیکی اعمال شود. این اصل شبیه به خوشه های رنگدانه در پوست سرپایان است که می توانند وضعیت نور محیط را حس کرده و ظاهر سلول های رنگدانه اطراف را از طریق اعمال مربوطه خود تغییر دهند.

دکتر جینیائو تانگ در پایان گفت: با این پیشرفت، ما توسعه جوهر فتوکرومیک قابل برنامه ریزی را پیش بینی می کنیم که می تواند در کاربردهای مختلفی مانند جوهر الکترونیکی، جوهر نمایشگر و حتی جوهر استتار نوری فعال مورد استفاده قرار گیرد.