激光网3月20日消息，印度科学研究所的研究人员开发了一种柔性薄膜，这些薄膜仅凭借其物理结构而表现出鲜艳的色彩，而不需要任何颜料。当拉伸时，薄膜会表现出颜色的变化，作为对机械变形的响应。
为了设计这些薄膜，该团队设计了一种新颖的、具有成本效益和可扩展的单步技术，该技术涉及蒸发金属镓以在柔性基板上形成纳米级颗粒。他们的方法允许同时制造对机械刺激做出反应的多种结构颜色。
该团队还展示了这些薄膜如何用于各种应用，从智能绷带和运动传感器到反射显示器。
“这是第一次将像镓这样的液态金属用于光子学，”仪器与应用物理系助理教授Tapajyoti Das Gupta说，该研究的通讯作者发表在《自然纳米技术》上。
一些自然物体，如宝石、软体动物贝壳或孔雀羽毛，本质上是五颜六色的。它们的颜色来自光与周期性排列的微观或纳米结构的相互作用，例如蛋白石中的微小二氧化硅球、软体动物壳中的碳酸钙基血小板以及孔雀羽毛中圆柱形结构顶部的分段带。
受自然启发的结构着色材料在显示器、可穿戴电子产品、视觉传感器和防伪标签中得到了广泛的应用。近年来，科学家们一直在尝试设计能够响应外部机械刺激而改变颜色的材料。
IISc团队开始对镓进行实验，镓尚未被探索用于此类应用，因为它的高表面张力阻碍了纳米颗粒的形成。镓在室温下是一种液态金属，其纳米颗粒已被证明与电磁辐射有很强的相互作用。
该团队开发的工艺通过巧妙地利用一种称为聚二甲基硅氧烷的基材的特性，实现了克服表面张力障碍以产生镓纳米颗粒的壮举。
当基材被拉伸时，研究人员注意到了一些不寻常的东西。根据应变，材料开始显示出不同的颜色。研究人员推测，沉积的镓纳米颗粒阵列以特定的方式与光相互作用以产生颜色。
为了了解基材在颜色生成中的作用，该团队开发了一个数学模型。
PDMS是一种聚合物，由两种液体状成分混合而成，它们相互反应形成固体聚合物。研究人员发现，低聚物的未反应部分仍处于液态，在稳定基底上镓纳米颗粒的形成方面发挥了至关重要的作用。
当该基材被拉伸时，液态低聚物渗入纳米颗粒之间的间隙中，改变间隙大小及其与光的相互作用，导致观察到的颜色变化。在实验室进行的实验证实了该模型的预测。通过调整低聚物含量与交联剂的比例，研究人员获得了各种颜色。
“我们表明，PDMS基板不仅保持结构，而且在确定镓纳米颗粒的结构和由此产生的着色方面发挥着积极作用，”IAP博士生和主要作者Renu Raman Sahu说。即使经过 80000 次拉伸循环，该材料也能够显示出可重复的颜色变化，表明其可靠性。
用于制造此类材料的光刻等传统技术涉及许多步骤，并且扩大规模的成本很高。为了规避这种情况，该团队设计了一种单步物理气相沉积技术来蒸发液态镓金属并将其沉积在PDMS衬底上。这使他们能够制造出柔性、结构性着色的薄膜，其大小约为手掌的一半。
这种薄膜有多种应用。该团队展示了一个这样的应用：身体运动传感器。当胶片附着在手指上时，当手指弯曲时会改变颜色，有助于实时感知运动。
Sahu说：“未来，这些材料也可以用于能量收集应用。
