ENGINEERINGNET.BE - De adembenemende 3D-ontwerpen die Japanse kirigami-kunstenaars creëren, inspireerden natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam tot het ontwerpen van een materiaal dat geleidelijk van kleur verandert als het wordt uitgerekt.
De nieuwe metamaterialen bestaan uit minuscule structuren die nog kleiner zijn dan de dikte van een mensenhaar. Hun kleur is afhankelijk van de vorm en rangschikking van deze ministructuren.
Als een dergelijk materiaal wordt uitgerekt, bewegen en roteren de microscopische patronen, waardoor de manier verandert waarop licht vanaf het oppervlak wordt weerkaatst.
Hierdoor verschuift de kleur van het licht dat door deze ‘kameleonhuid op nanoschaal’ wordt weerkaatst tijdens het uitrekken geleidelijk van groen naar geel en uiteindelijk naar rood.
Het ontwerp van het materiaal was geen eenvoudig proces, aldus onderzoeker Freek van Gorp. “Het materiaal dat we wilden gebruiken, silicium, is op macroscopische schaal vrij broos. We probeerden eerst minuscule siliciumdeeltjes op of in een flexibel substraat te plaatsen, maar het substraat zelf bracht nieuwe complicaties met zich mee."
"De echte doorbraak kwam toen we ons begonnen af te vragen of we überhaupt wel een substraat nodig hadden. Door het silicium om te zetten in een dun gaaspatroon konden we het materiaal zowel flexibel als functioneel maken.
Deze aanpak maakte het mogelijk om in één ontwerp optische metaoppervlakken te combineren met mechanische metamaterialen, wat het kleurafstemmingseffect mogelijk maakte dat we in dit werk hebben aangetoond.”
Jorik van de Groep, groepsleider van het 2D Nanophotonics Lab waar het onderzoek werd uitgevoerd: “Het cruciale nieuwe van dit materiaal zit in de multifunctionaliteit van de structuur. Door het dunne siliciummembraan te voorzien van nanopatronen, konden we het tegelijk laten functioneren als een mechanisch metamateriaal dat de interne rotaties en verschuivingen regelt, en als een optisch metaoppervlak dat gebruik maakt van resonante lichtverstrooiing door de structuur. Samen zorgen die twee voor de instelbare structurele kleur.”
De onderzoekers werken nu verder aan de realisatie van het concept. Ze doen dit door een echt flexibel metaoppervlak te fabriceren in de cleanroom van onderzoeksinstituut AMOLF. Implementatie van dit idee in een volledig functioneel metamateriaal is de volgende stap.
In de nabije toekomst opent dit mogelijkheden voor instelbare kleurcoatings, slimme sensoren en lichtgewicht optische apparaten die zich aanpassen aan hun omgeving.
