Para diseñar estas películas, el equipo ideó una técnica novedosa, rentable y escalable de un solo paso que implica la evaporación de galio metálico para formar partículas de tamaño nanométrico sobre un sustrato flexible. Su método permite la fabricación simultánea de múltiples colores estructurales que responden a estímulos mecánicos.

El equipo también ha demostrado cómo estas películas se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones, desde vendajes inteligentes y sensores de movimiento hasta pantallas reflectantes.

"Esta es la primera vez que un metal líquido como el galio se utiliza para la fotónica", afirma Tapajyoti Das Gupta, profesor asistente en el Departamento de Instrumentación y Física Aplicada (IAP), y autor correspondiente del estudio publicado en Nature. Nanotecnología .

Algunos objetos naturales como piedras preciosas, conchas de moluscos o plumas de pavo real son inherentemente coloridos. Sus colores surgen de la interacción de la luz con micro o nanoestructuras dispuestas periódicamente, como pequeñas esferas de sílice en el ópalo, plaquetas a base de carbonato de calcio en conchas de moluscos y cintas segmentadas sobre estructuras cilíndricas en plumas de pavo real.

Los materiales con colores estructurales inspirados en la naturaleza han encontrado amplias aplicaciones en pantallas, dispositivos electrónicos portátiles, sensores visuales y etiquetas antifalsificación. En los últimos años, los científicos han intentado diseñar materiales que puedan cambiar de color en respuesta a un estímulo mecánico externo.

El equipo del IISc comenzó a experimentar con galio, que no ha sido explorado para tales aplicaciones porque su alta tensión superficial dificulta la formación de nanopartículas. El galio es un metal líquido a temperatura ambiente y se ha demostrado que sus nanopartículas tienen fuertes interacciones con la radiación electromagnética.

El proceso desarrollado por el equipo logra la hazaña de superar la barrera de la tensión superficial para crear nanopartículas de galio, utilizando inteligentemente las propiedades de un sustrato llamado polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero biocompatible.

Cuando se estiró el sustrato, los investigadores notaron algo inusual. El material empezó a mostrar diferentes colores según la cepa. Los investigadores teorizaron que el conjunto de nanopartículas de galio depositadas interactúa con la luz de maneras específicas para generar los colores.

Para comprender el papel del sustrato en la generación del color, el equipo desarrolló un modelo matemático.

PDMS es un polímero elaborado mezclando dos componentes líquidos (un oligómero y un reticulante) que reaccionan entre sí para formar un polímero sólido. Lo que encontraron los investigadores es que la porción del oligómero que no reaccionó, que todavía está en estado líquido, jugó un papel crucial en la estabilización de la formación de nanopartículas de galio en el sustrato.

Cuando luego se estira este sustrato, los oligómeros líquidos se filtran en los espacios entre las nanopartículas, cambiando el tamaño del espacio y su interacción con la luz, lo que da como resultado el cambio de coloración observado. Los experimentos realizados en el laboratorio confirmaron las predicciones del modelo. Al ajustar la proporción entre el contenido de oligómero y el reticulante, los investigadores obtuvieron una gama de colores.

"Demostramos que el sustrato PDMS no sólo mantiene la estructura, sino que también desempeña un papel activo en la determinación de la estructura de las nanopartículas de galio y la coloración resultante", dice Renu Raman Sahu, Ph.D. Estudiante en IAP y autor principal. Incluso después de 80.000 ciclos de estiramiento, el material pudo mostrar un cambio de color repetible, lo que indica su fiabilidad.

Las técnicas convencionales, como la litografía, utilizadas para fabricar dichos materiales implican muchos pasos y su ampliación es costosa. Para evitar esto, el equipo ideó una técnica de deposición física de vapor de un solo paso para evaporar el galio metálico líquido y depositarlo sobre el sustrato PDMS. Esto les permitió fabricar películas flexibles y estructuralmente coloreadas que miden aproximadamente la mitad del tamaño de la palma de la mano.

Existen diversas aplicaciones posibles para este tipo de películas. El equipo demostró una de esas aplicaciones:un sensor de movimiento corporal. Una tira de película, cuando se adhería al dedo, cambiaba de color cuando se doblaba el dedo, lo que ayudaba a detectar el movimiento en tiempo real.

Sahu afirma:"En el futuro, estos materiales también podrían utilizarse para aplicaciones de recolección de energía".