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オパールのように色が変わるナノマテリアル

June, 17, 2016, Cambridge--ケンブリッジ大学の研究チームは、マイクロマーブルを規定層にスタックする新しい方法を考案した。これにより散乱光を強くし、捩じったり延ばしたりすると色が変わる魅力的な材料が実現する。
 研究チームは、工業規模でそのようなシートを作る方法を考案し、アプリケーションは人々のスマート衣服や建物から銀行紙幣まで広がる。
 曲げ誘起剪断(BIOS)という新しい方法を使い、研究者は今では「ポリマオパール」という数百メートルのこのような材料をロールツーロールで製造できる。
 自然の最も明るい色の中にはオパール宝石、蝶の羽、カブトムシに見られるものがある。これらの材料は、染料や色素から得た色ではなく、組織的に整列されたマイクロ構造によるものである。
 研究チームは、この「構造的色」を人工的に再現する方法に数年前から取り組んできたが、これまではそれを普及させられるような安価な技術を使って製造することは難しかった。
 ポリマオパールを作るために研究チームは、透明なプラスチックのナノスフィア(球)を大量に作ることから始めた。個々の微小球は中心部は固く、外側は粘着性である。次に球を乾燥させて凝結した塊にする。これらの球のサンドイッチを含むシートを連続ローラの周りに曲げることで球は完全にアレンジされたスタックになる。この段階で球は強い色を持つようになる。
 最初のナノスフィアのサイズを変えることで、光の多様な色が反射される。また、材料はゴムのように粘度があるので、捩じったり延ばしたりすると、球の間隔が変わり、材料は色を変える。伸ばすとスペクトルがブルーにシフトし、圧縮すると赤にシフトする。離すと、材料は元の色に戻る。そのようなカメレオン材料は、色が変わる壁紙、赤外熱放射を反射するビルのコーティングに使える。
 ポリマオパールを大量に生産するには、チームは、それを再現できるように、まずその内部構造を理解する必要があった。多様な技術、電子顕微鏡、X線、流動学および光学分光学を使い、材料内の球の3次元的位置を見ることができ、球が相互にどのように滑り、色がどのように変わるかを計測することができた。
研究論文は、Nature Communicatonsに掲載されている。