Imagine estirar un trozo de película para revelar un mensaje oculto. O comprobar el color de un brazalete para medir la masa muscular. O luciendo un traje de baño que cambia de tono a medida que das vueltas. Tales materiales camaleónicos que cambian de color podrían estar en el horizonte, gracias a una técnica fotográfica que ha sido resucitada y reutilizada por ingenieros del MIT.

Al aplicar una técnica de fotografía en color del siglo XIX a los materiales holográficos modernos, un equipo del MIT imprimió imágenes a gran escala en materiales elásticos que, cuando se estiran, pueden transformar su color, reflejando diferentes longitudes de onda a medida que se tensa el material.

Los investigadores produjeron películas elásticas impresas con ramos de flores detallados que se transforman de tonos cálidos a más fríos cuando se estiran las películas. También imprimieron películas que revelan la huella de objetos como una fresa, una moneda y una huella dactilar.

Los resultados del equipo proporcionan la primera técnica de fabricación escalable para producir materiales detallados a gran escala con "color estructural", color que surge como consecuencia de la estructura microscópica de un material, en lugar de aditivos químicos o colorantes.

"Escalar estos materiales no es trivial, porque es necesario controlar estas estructuras a nanoescala", dice Benjamin Miller, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Ahora que hemos superado este obstáculo de escala, podemos explorar preguntas como:¿Podemos usar este material para hacer una piel robótica que tenga un sentido del tacto similar al humano? ¿Y podemos crear dispositivos de detección táctil para cosas como la realidad virtual aumentada? o entrenamiento médico? Es un gran espacio que estamos viendo ahora".

Los resultados del equipo aparecen hoy en Nature Materials . Los coautores de Miller son la estudiante de grado del MIT Helen Liu y Mathias Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.

Casualidad de holograma

El grupo de Kolle desarrolla materiales ópticos inspirados en la naturaleza. Los investigadores han estudiado las propiedades de reflexión de la luz en las conchas de los moluscos, las alas de las mariposas y otros organismos iridiscentes, que parecen brillar y cambiar de color debido a estructuras superficiales microscópicas. Estas estructuras están en ángulo y en capas para reflejar la luz como espejos de colores en miniatura, o lo que los ingenieros denominan reflectores Bragg.

Grupos que incluyen a Kolle han buscado replicar este color estructural natural en materiales usando una variedad de técnicas. Algunos esfuerzos han producido muestras pequeñas con estructuras precisas a nanoescala, mientras que otros han generado muestras más grandes, pero con menos precisión óptica.

Como escribe el equipo, "un enfoque que ofrece tanto [control de microescala como escalabilidad] sigue siendo difícil de alcanzar, a pesar de varias aplicaciones potenciales de alto impacto".

Mientras se preguntaba cómo resolver este desafío, Miller visitó el Museo del MIT, donde un curador le habló sobre una exposición sobre holografía, una técnica que produce imágenes tridimensionales al superponer dos haces de luz en un material físico.

"Me di cuenta de que lo que hacen en la holografía es más o menos lo mismo que hace la naturaleza con el color estructural", dice Miller.

Esa visita lo impulsó a leer sobre la holografía y su historia, lo que lo llevó a fines del siglo XIX, y la fotografía de Lippmann, una de las primeras técnicas de fotografía en color inventada por el físico franco-luxemburgués Gabriel Lippmann, quien más tarde ganó el Premio Nobel de Física por la técnica.

Lippmann generó fotografías en color colocando primero un espejo detrás de una emulsión transparente muy delgada, un material que inventó a partir de pequeños granos sensibles a la luz. Expuso la configuración a un haz de luz, que el espejo reflejó a través de la emulsión. La interferencia de las ondas de luz entrantes y salientes estimuló los granos de la emulsión para reconfigurar su posición, como muchos espejos diminutos, y reflejar el patrón y la longitud de onda de la luz expuesta.

Usando esta técnica, Lippmann proyectó imágenes de flores y otras escenas coloreadas estructuralmente en sus emulsiones, aunque el proceso fue laborioso. Involucró la elaboración manual de las emulsiones y la espera de días para que el material estuviera suficientemente expuesto a la luz. Debido a estas limitaciones, la técnica pasó a la historia en gran medida.

A modern twist

Miller wondered if, paired with modern, holographic materials, Lippmann photography could be sped up to produce large-scale, structurally colored materials. Like Lippmann's emulsions, current holographic materials consist of light-sensitive molecules that, when exposed to incoming photons, can cross-link to form colored mirrors.

"The chemistries of these modern holographic materials are now so responsive that it's possible to do this technique on a short timescale simply with a projector," Kolle notes.

In their new study, the team adhered elastic, transparent holographic film onto a reflective, mirror-like surface (in this case, a sheet of aluminum). The researchers then placed an off-the-shelf projector several feet from the film and projected images onto each sample, including Lippman-esque bouquets.

As they suspected, the films produced large, detailed images within several minutes, rather than days, vividly reproducing the colors in the original images.

They then peeled the film away from the mirror and stuck it to a black elastic silicone backing for support. They stretched the film and observed the colors change—a consequence of the material's structural color:When the material stretches and thins out, its nanoscale structures reconfigure to reflect slightly different wavelengths, for instance, changing from red to blue.

The team found the film's color is highly sensitive to strain. After producing an entirely red film, they adhered it to a silicone backing that varied in thickness. Where the backing was thinnest, the film remained red, whereas thicker sections strained the film, causing it to turn blue.

Similarly, they found that pressing various objects into samples of red film left detailed green imprints, caused by, say, the seeds of a strawberry and the wrinkles of a fingerprint.

Interestingly, they could also project hidden images, by tilting the film at an angle with respect to the incoming light when creating the colored mirrors. This tilt essentially caused the material's nanostructures to reflect a red-shifted spectrum of light. For instance, green light used during material exposure and development would lead to red light being reflected, and red light exposure would give structures that reflect infrared—a wavelength that is not visible to humans. When the material is stretched, this otherwise invisible image changes color to reveal itself in red.

"You could encode messages in this way," Kolle says.

Overall, the team's technique is the first to enable large-scale projection of detailed, structurally colored materials.

Indeed, Kolle notes that the new color-changing materials are easily integrated into textiles.

"Lippmann's materials wouldn't have allowed him to even produce a Speedo," he says. "Now we could make a full leotard."

Beyond fashion and textiles, the team is exploring applications such as color-changing bandages, for use in monitoring bandage pressure levels when treating conditions such as venous ulcers and certain lymphatic disorders. + Explora más

What color is a mirror? Explaining mirrors and how they work.