El reino animal está lleno de criaturas con camuflaje activo. Lo que parece un montículo monótono de arena y rocas en realidad podría ser un calamar de colores brillantes, expandiendo y contrayendo estructuras dentro de su piel para revelar tonos de marrón y gris en lugar de azul y amarillo vibrantes. Conocidos como cromatóforos, estas células pueden expandirse y retraerse placas reflectantes internas en respuesta a estímulos externos, permitir que el animal combine con los colores y patrones de su entorno, y desaparecer en un instante.

Ahora, Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania se están inspirando en este tipo de camuflaje activo. Usando delgado, membranas flexibles hechas de una red polimérica de cristales líquidos dispuestos en formas helicoidales, Estos investigadores han desarrollado una especie de cromatóforo artificial que puede cambiar los colores instantáneamente, desde el infrarrojo cercano al visible y al ultravioleta, a voluntad.

Estas membranas están situadas sobre pequeñas cavidades dispuestas en una cuadrícula, cada uno de los cuales se puede inflar neumáticamente a una presión precisa. A medida que se infla una cavidad, la membrana se estira, encogiendo su grosor y cambiando su color aparente.

Críticamente, estas membranas no necesitan estirarse mucho para lograr este efecto. Usando una cantidad de presión equivalente a un toque suave, su color se puede cambiar a cualquier cosa dentro del espectro visible. Históricamente, los materiales que cambian de color que utilizan mecanismos similares han tenido que deformarse en un 75 por ciento para cambiar de rojo a azul. haciéndolos imposibles de usar en entornos con dimensiones fijas, como pantallas o ventanas.

Debido a que los cromatóforos artificiales de los investigadores necesitan menos del 20 por ciento de deformación para lograr el mismo efecto, se pueden organizar como píxeles en un monitor LCD. Y debido a que los cristales líquidos en capas en el sistema de los investigadores tienen su propio color reflectante, no necesitan retroiluminación y, por lo tanto, no necesitan una fuente de energía constante para mantener su apariencia intrínsecamente vibrante.

Si bien las pantallas prototipo de los investigadores solo tienen unas pocas docenas de píxeles cada una, un estudio que demuestra el principio detrás de su capacidad de cambio de color describe su potencial en una variedad de técnicas de camuflaje, así como aplicaciones en arquitectura, robótica, sensores y otros campos.

El estudio, publicado en la revista Materiales de la naturaleza , fue dirigido por Shu Yang, Joseph Bordogna Profesor y Director del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Se-Um Kim, luego investigadora postdoctoral en su laboratorio. Compañeros miembros del laboratorio Yang, Young-Joo Lee, Jiaqi Liu, Dae Seok Kim y Haihuan Wang también contribuyeron a la investigación.

"Nuestro laboratorio siempre ha estado interesado en el color estructural, incluyendo cómo cambiarlo usando fuerzas mecánicas, "dice Yang". Por ejemplo, previamente demostramos que un polímero que cambia de color puede indicar lesiones cerebrales traumáticas en soldados y atletas. Al observar cómo algunos animales han evolucionado el color estructural, nos dimos cuenta de que tenían celdas elásticas que funcionaban como píxeles en una pantalla y que potencialmente podríamos adoptar un enfoque similar ".

Color estructural, el fenómeno que da a las alas de las mariposas y a las plumas de pavo real una iridiscencia que a menudo es más brillante que los colores a base de pigmentos o tintes, se produce cuando la luz interactúa con las características microscópicas de una superficie. En el caso de las pantallas de los investigadores, esas características se encuentran en una clase de materiales conocidos como "elastómeros cristalinos líquidos nemáticos quirales de cadena principal" o MCLCE. Los cristales líquidos son materiales intrínsecamente anisotrópicos, lo que significa que sus propiedades varían según su orientación direccional. La forma helicoidal de los MCLCE permite una anisotropía grande y elástica, ya que el paso de la hélice se puede alterar fácilmente.

A medida que se infla una cavidad en la pantalla, su membrana MCLCE está estirada. Al igual que comprimir un resorte, esto reduce el paso de la hélice de cristal líquido dentro de la membrana, cambiando la longitud de onda de la luz que se refleja en el espectador.

Trazando la presión exacta requerida para que cada cromatóforo artificial tenga el color deseado, los investigadores pudieron programarlos como los píxeles en una pantalla. Este nivel de control es posible incluso sin bombas neumáticas independientes para cada píxel.

"Quería generar rojo, color verde y azul simultáneamente en una simple operación, "Kim dice, "conecté cavidades de diferente ancho al mismo canal de aire. Esto significa que, a pesar de experimentar la misma presión, el grado de deformación y el color varía de un píxel a otro, reduciendo la complejidad del dispositivo en general ".

Usando solo dos canales de aire, El prototipo de los investigadores puede producir patrones de tablero de ajedrez de 7 por 5 que coinciden con el sombreado y la textura de una superficie circundante. Con siete canales, Pueden representar dígitos al estilo de las pantallas a color de siete segmentos que se encuentran en los relojes LCD.

Los investigadores creen que el rendimiento mecanocrómico único de los MCLCE inspirará la creación de nuevos dispositivos y sensores fotónicos biomiméticos que son altamente sensibles y complejos a pesar del mecanismo relativamente simple del material. También planean hacer más demostraciones de pantallas 3D, así como ventanas "inteligentes" que responden a la temperatura ambiente cambiando de color.