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Imagine estirar un trozo de película para revelar un mensaje oculto. O comprueba el color de un brazalete para evaluar la masa muscular. O usa un traje de baño que cambie de color mientras haces trucos. 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.
Aplicando una técnica de fotografía en color del siglo XIX a 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 cuando se estira el material.
Los investigadores han producido películas estirables impresas con ramos de flores detallados que cambian de tonos cálidos a tonos más fríos cuando se estiran las películas. También han impreso 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 resultante de la estructura microscópica de un material, en lugar de aditivos químicos o colorantes.
«Ampliar estos materiales no es trivial, porque tienes que 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 crear una piel robótica que tenga un sentido del tacto similar al humano? ¿Estamos creando dispositivos táctiles para cosas como la realidad virtual aumentada o entrenamiento médico Ese es un gran espacio que estamos viendo ahora.
Los resultados del equipo aparecen hoy en Materiales naturales. Los coautores de Miller son la estudiante de pregrado del MIT Helen Liu y Mathias Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.
holograma al azar
El grupo de Kolle desarrolla materiales ópticos inspirados en la naturaleza. Los investigadores estudiaron 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 llaman reflectores Bragg.
Los grupos, incluido el de Kolle, han buscado replicar este color estructural natural en materiales utilizando 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 [microscale control and scalability] sigue siendo esquivo, a pesar de varias aplicaciones potenciales de alto impacto.
Mientras reflexionaba sobre cómo resolver este desafío, Miller visitó el museo del MIT, donde un curador le habló sobre una exhibición 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 están haciendo con la holografía es más o menos lo mismo que la naturaleza está haciendo con el color estructural”, dice Miller.
Esta visita lo impulsó a aprender sobre la holografía y su historia, que lo llevó a fines del siglo XIX, y sobre la fotografía de Lippmann, una de las primeras técnicas de fotografía en color inventada por el físico francés, el luxemburgués Gabriel Lippmann, quien ganó el Premio Nobel en Física para 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 para reflejar el patrón y la longitud de onda de la luz de exposición.
Usando esta técnica, Lippmann proyectó imágenes de flores y otras escenas coloreadas estructuralmente en sus emulsiones, aunque el proceso fue laborioso. Esto implicó hacer las emulsiones a mano y esperar días para que el material estuviera suficientemente expuesto a la luz. Debido a estas limitaciones, la técnica se ha desvanecido en gran medida en la historia.
Un toque moderno
Miller se preguntó si, combinada con materiales holográficos modernos, la fotografía de Lippmann podría acelerarse para producir materiales estructuralmente coloreados a gran escala. Al igual que las emulsiones de Lippmann, los materiales holográficos actuales están formados por moléculas sensibles a la luz que, cuando se exponen a los fotones entrantes, pueden entrecruzarse para formar espejos de colores.
«La química de estos materiales holográficos modernos ahora es tan reactiva que es posible realizar esta técnica en una escala de tiempo corta solo con un proyector», señala Kolle.
En su nuevo estudio, el equipo pegó una película holográfica transparente elástica a una superficie reflectante similar a un espejo (en este caso, papel de aluminio). Luego, los investigadores colocaron un proyector estándar a varios pies de distancia de la película y proyectaron imágenes en cada muestra, incluidos los ramos de flores estilo Lippman.
Como sospechaban, las películas produjeron imágenes grandes y detalladas en minutos, en lugar de días, reproduciendo vívidamente los colores de las imágenes originales.
Luego despegaron la película del espejo y la pegaron a un respaldo de silicona elástica negra para sostenerlo. Estiraron la película y observaron el cambio de color, una consecuencia del color estructural del material: a medida que el material se estira y adelgaza, sus estructuras a nanoescala se reconfiguran para reflejar longitudes de onda ligeramente diferentes, por ejemplo, pasando del rojo al azul.
El equipo descubrió que el color de la película es muy sensible al voltaje. Después de realizar una película completamente roja, la pegaron sobre un soporte de silicona de espesor variable. Donde el respaldo era más delgado, la película permanecía roja, mientras que las secciones más gruesas estiraban la película, haciendo que se volviera azul.
Del mismo modo, encontraron que al apretar varios objetos en muestras de película roja dejaban huellas verdes detalladas, causadas, por ejemplo, por las semillas de una fresa y las arrugas de una huella dactilar.
Curiosamente, también podrían proyectar imágenes ocultas, inclinando la película en ángulo con respecto a la luz entrante al crear los espejos de colores. Esta inclinación esencialmente hizo que las nanoestructuras del material reflejaran un espectro de luz desplazado hacia el rojo. Por ejemplo, la luz verde utilizada durante la exposición y el desarrollo del material conduciría al reflejo de la luz roja, y la exposición a la luz roja daría como resultado estructuras que reflejan el infrarrojo, una longitud de onda que no es visible para los humanos. Cuando el material se estira, esta imagen invisible cambia de color para revelarse como roja.
“Podrías codificar mensajes de esta manera”, explica Kolle.
En general, la técnica del equipo es la primera que permite la proyección a gran escala de materiales detallados y estructuralmente coloreados.
«La belleza de este trabajo es que han desarrollado una forma simple pero extremadamente eficiente de producir estructuras fotónicas de gran área», dice Sylvia Vignolini, profesora de química y biomateriales en la Universidad de Cambridge, quien no participó en el estudio. «Esta técnica podría cambiar las reglas del juego para los revestimientos y envases, así como para la ropa».
De hecho, Kolle señala que los nuevos materiales que cambian de color se integran fácilmente en los textiles.
«Los materiales de Lippmann ni siquiera le permitirían producir un Speedo», dice. «Ahora podríamos hacer un leotardo completo».
Más allá de la moda y los textiles, el equipo está explorando aplicaciones como los vendajes que cambian de color, que se usarán para monitorear los niveles de presión del vendaje cuando se tratan afecciones como úlceras venosas y ciertos trastornos linfáticos.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Gillian Reny Stepping Strong Center for Trauma Innovation del Brigham and Women’s Hospital, la National Science Foundation, el MIT Deshpande Center for Technological Innovation, Samsung y el MIT ME MathWorks Seed Fund.
