Gli scienziati hanno sviluppato una tecnica innovativa per generare colori che possono essere modificati e controllati su richiesta. Questa metodologia si basa sui colori strutturali e non richiede l’uso di coloranti o pigmenti tradizionali.
Le potenziali applicazioni di questa tecnologia sono vaste e includono la segnaletica espositiva, il camouflage adattivo e le etichette di sicurezza intelligenti.
La rivoluzione dei colori strutturali dinamici
Colori strutturali sono distinti dai pigmenti chimici. Non sono generati da molecole colorate, ma derivano da disposizioni incolori di nanostrutture fisiche. Il fenomeno cromatico si verifica quando le onde luminose colpiscono queste nanostrutture. L’interazione causa un’interferenza tra le onde: alcune si annullano (vengono assorbite), mentre le rimanenti vengono riflesse (o diffuse) verso l’osservatore, definendo così il colore percepito.
A differenza dei pigmenti, che assorbono la luce e riflettono un singolo colore (ad esempio, il pigmento rosso riflette solo il rosso), i sistemi cromatici strutturali possono essere progettati per riflettere colori multipli pur essendo costituiti dallo stesso materiale incolore.
Per anni, l’obiettivo è stato quello di rendere i colori strutturali dinamici, ovvero capaci di cambiare a comando. Nonostante l’interesse, la traduzione di questo potenziale in una realtà commercialmente valida è stata ostacolata da due problemi principali: la complessità del processo produttivo delle strutture stesse e, soprattutto, la mancanza di un metodo semplice ed efficace per indurre il cambiamento di colore.
Architettura del materiale
Per superare le sfide relative alla complessità produttiva e alla mancanza di un metodo semplice per il cambio di colore, un team di ricerca dell’Università della Florida ha sviluppato una tecnica che sfrutta il calore. Hanno ideato un metodo per indurre il cambiamento dei colori strutturali utilizzando un materiale le cui proprietà vengono modificate attraverso il riscaldamento.
Come descritto dai ricercatori nel loro studio, il nuovo dispositivo cromatico è costituito da una pila di due strati. Essi hanno sovrapposto un sottile strato di biossido di vanadio (un materiale intelligente noto come materiale a cambiamento di fase) su uno strato di alluminio riflettente.
Il cuore del meccanismo risiede nel biossido di vanadio. Quando viene riscaldato oltre una specifica temperatura critica, il materiale subisce una rapida transizione di fase: si trasforma da isolante a metallo, con un conseguente cambiamento nella sua struttura cristallina. Quando la luce colpisce questa struttura a strati, segue due percorsi principali: una parte della luce viene riflessa sulla superficie del biossido di vanadio, mentre la restante parte attraversa lo strato superiore e viene riflessa dall’alluminio sottostante.
Questi due fasci di luce riflessi interferiscono tra loro. Il rapido cambiamento strutturale del biossido di vanadio, indotto dal calore, altera i tempi di riflessione della luce proveniente dalla superficie superiore e da quella inferiore, rendendoli fuori fase. Questo disallineamento temporale modifica il colore specifico della luce che viene annullato (assorbito), il che, di conseguenza, determina il cambiamento del colore che viene riflesso e che noi percepiamo.
Vantaggi e versatilità della nuova tecnica
Il design a strati sviluppato dal team ha consentito un notevole progresso: i ricercatori hanno potuto facilmente indurre cambiamenti di colore su una vasta gamma di materiali, ottenendo una potente e inedita capacità di controllo cromatico. I ricercatori hanno evidenziato i benefici di questo approccio nel loro articolo, affermando: “Questo approccio produce cambiamenti di colore vividi e reversibili sia su superfici rigide che flessibili, senza la necessità di complesse nanofabbricazioni.”
La semplicità e l’efficacia del metodo aprono nuove possibilità ingegneristiche. “Ingegnerizzando il modo in cui il materiale viene coltivato, possiamo ampliare la tavolozza dei colori e regolare la temperatura alla quale avviene il cambiamento,” hanno spiegato.
Il team ha dimostrato con successo la promessa di questa tecnologia per una vasta gamma di applicazioni pratiche. Sono riusciti a cambiare il colore in modo dinamico su ampie aree di superfici, inclusi materiali rigidi e materiali flessibili, come tessuti e stoffe. Questa versatilità suggerisce un ampio potenziale in diversi settori industriali.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.
