Zvětšit obrázek

Yadong Yin, docent v oboru chemie na Kalifornské universitě v Riverside

Příroda již dávno přišla na to, že peří ptáků, nebo krovky hmyzu lze kromě použití pigmentu obarvit i tak, že si pohraje s povrchovou strukturou keratinu, nebo chitinu a tím ovlivní jeho optické (difrakční) vlastnosti. I lidé se již léta snaží toto řešení odkoukat a inovovat. Například tak, aby barvy fotonických struktur nebyly trvalé, ale daly se kdykoli ovládat a měnit.

Odborný časopis Journal of the American Chemical Society zveřejnil v půlce června článek popisující zajímavou metodu jak toho dosáhnout. Jak vytvořit materiál, jehož optické vlastnosti a tedy i barvu je možné ovládat pomocí vnějšího magnetického pole. Je to výsledek spolupráce týmu chemiků pod vedením Yadong Yina z University of California v Riverside a inženýrů z National University v jihokorejském Soulu. Princip je založen na miniaturních, desítky mikrometrů velkých kuličkách, které se natáčejí do směru magnetických siločar. A protože v různém směru různě lomí dopadající viditelné světlo, mají v závislosti od svého otočení i různou barvu.

Zvětšit obrázek

Příklad změny barvy mikrokuliček když na ně působí vertikální pole, které natočí lineárně uspořádané řetízky magnetických částic do kolmého směru (první obrázek) a když působí pole horizontální.
Kredit: Yin lab, UC Riverside

Na to, aby kuličky mohly reagovat na změny směru magnetického pole, musí obsahovat „něco“, co jimi pootáčí a co se chová jako střelka kompasu pevně zafixovaná v jejich vnitřní struktuře. A zároveň „to něco“ pod jiným uhlem dopadajícího světla odráží zpět jinou vlnovou délku, tedy opticky celou kuličku přebarvuje. Za oním tajemnem se ukrývají mikroskopická zrníčka oxidů železa (přesněji podvojného oxidu železnato-železitého, jenž se v přírodě vyskytuje jako známý minerál magnetit). Vědci použili tak drobné a upravené magnetitové částice, které se již navenek nechovají jako permanentní magnety, ale mají zvláštní superparamagnetické vlastnosti – jako magnety se chovají jen pod vlivem vnějšího pole, jinak jsou nemagnetické.
Samotné kuličky jsou z průsvitného polymeru, z umělé pryskyřice, která je zpočátku tekutá, protože ji tvoří kratší oligomery. Působením UV záření se však spojují do dlouhých polymerních řetězců. V tomto procesu vytvrzování se původně viskózní pryskyřice mění v pevný a velice odolný materiál.

Recept na magnetochromatické mikrokuličky

Umělá tekutá pryskyřice a drobná, superparamagnetická zrníčka oxidů železa představují základní ingredience. V prvním kroku se obě substance spolu dobře smíchají. Výsledný koloidní roztok se pak vlije do minerálního, nebo silikonového oleje, kde se z něho promícháváním vytvoří drobounké kulaté kapičky. V nich se pod vlivem magnetického pole a vzájemného působení částečky oxidů železa uspořádají do pravidelné sítě řetízků, které jsou výsledkem rovnováhy přitažlivých a odpudivých sil. Natočení jednotlivých zrníček se dá pomocí vnějšího magnetického pole regulovat, čímž se mění i difrakční vlastnosti celé kuličky, tedy i barva v jaké jí ve směru podél řetízků vnímáme. Tak lze kuličky doslova barevně vyladit a získat širokou spektrální paletu.

Zvětšit obrázek

Snímky z mikroskopu: magnetochromatické mikrokuličky s různými difrakčními barvami, jenž se v procesu výroby dolaďují vnějším magnetickým polem.
Kredit: Yin lab, UC Riverside

Působením UV zářením se pak pryskyřice vytvrdí a z kapiček vzniknou pevné, vůči vnějším vlivům odolné drobné kuličky, vyladěné do různých „základných“ barev, s průměrem v desítkách mikrometrů (tisícin milimetru). Když jsou tyto mikrokuličky rozptýlené v materiálu, který jim umožňuje alespoň částečný pohyb, řetízky magnetitových zrníček v jejich vnitřní struktuře jsou schopny jimi otáčet podle změn orientace vnějšího magnetického pole. To by samo o sobě nebylo až tak zajímavé, kdyby se zároveň neměnily i jejich optické vlastnosti. Na pravidelné struktuře do linií uspořádaných drobných částeček uvnitř průsvitného materiálu dochází k ohybu a lomu světla. Jak se kulička natáčí, mění se i její difrakční vlastnosti. A v tom je ukryté celé tajemství barevné změny.

Když se magnetochromatické mikrokuličky nacházejí hustě uspořádané v kapalném prostředí (voda, alkohol, hexan…), nebo i v prostředí, které se zkapalňuje například teplem (průsvitné termoplasty), jednoduše všude tam, kde mají dostatečnou míru svobody pohybu, pak je možné změnou směru vnějšího magnetického pole jimi synchronně otáčet, což okamžitě „zapíná“ a „vypíná“, nebo mění barvu celého materiálu.

Kalifornská universita podala patentovou přihlášku na tento nový typ barevně ovladatelné magnetochromatické příměsi použitelné do různých materiálů. Její tvůrci, kteří již hledají průmyslového výrobce, jí věští nadějnou budoucnost. Možné aplikace chemicky stabilních a zdravotně nezávadných mikrokuliček jsou rozmanité – například všechna zobrazovací zařízení s přepisovatelným a obnovitelným záznamem. Možná se na tomto principu budou vyrábět magneticky aktivovatelné bezpečnostní prvky, nebo trvalé plakáty, postery, nálepky, které bude možné předělávat na jiný obsah. Může taky jít o zajímavý, enviromentálně nezávadný pigment do nátěrů, inkoustů pro barevný tisk, nebo prý dokonce i do kosmetických přípravků.

Video 1 - zjednodušená demonstrační verze z laboratoře University of California znázorňuje změnu barvy kuliček při změně směru vnějšího působícího magnetického pole.
Kredit: Yin lab, UC Riverside

 
Video 2 - rotace mikrokuliček v magnetickém poli, které se mění ve vertikálním směru. Barva odpovídá dvěma stavům – zelená znamená „zapnuto“ a tmavší „vypnuto“.
Kredit: Yin lab, UC Riverside

Zdroj:  University of California Riverside , Journal of the American Chemical Society