Как осьминог вдохновил на создание автоматической камуфляжной системы

Осьминоги известны своей способностью мгновенно менять цвет своей кожи, чтобы приспособиться к окружающей среде и скрыться от хищников. Этот удивительный природный феномен может послужить примером для разработки новых видов чернил, которые могут отображать различные цвета в зависимости от светового воздействия. Такие чернила могут найти применение в разных областях, от электронных книг с высоким разрешением до автоматического камуфляжа.


Большинство существующих чернил и материалов, изменяющих цвет, основаны на химических реакциях, которые могут быть неустойчивыми и сложными в управлении. Осьминоги меняют цвет с помощью специальных клеток в своей коже, которые называются хроматофорами. Хроматофоры содержат разные пигменты и могут расширяться или сжиматься под влиянием мышц. Когда хроматофоры расширены, они становятся ярче и виднее, а когда сжимаются — тусклее и меньше.

Недавно ученые из Университета Гонконга под руководством Джиньяо Тана создали чернила, которые работают по аналогичному принципу. Чернила состоят из частиц диоксида титана, окрашенных в разные красители и имеющих разную чувствительность к свету, расположенных в растворе.

Когда свет от обычного проектора падает на материал, содержащий чернила, он создает химический градиент, который заставляет некоторые частицы чернил подниматься на поверхность, а другие — опускаться. Таким образом ближе к поверхности оказываются частицы, окрашенные в цвет, которым освещен образец. Поэтому, поверхность образца приобретает окраску, соответсвующую освещению.


— Джиньяо Тан.

Вот как это работает с точки зрения физики: Когда мы смешиваем две жидкости, которые не растворяются друг в друге, например масло и воду, они разделяются на две фазы. Это происходит потому, что энергия смешивания меньше энергии разделения. А если мы смешиваем маленькие частицы одинакового размера и формы, которые называются коллоидами, они обычно хорошо перемешиваются и не разделяются на фазы. Потому, что энергия разделения очень мала.

Но есть особые коллоиды, которые могут двигаться под действием света — фотоактивные коллоиды. Они могут взаимодействовать друг с другом на большом расстоянии и менять свое поведение в зависимости от цвета и яркости света. Это очень интересно для изучения фазовых переходов и самоорганизации коллоидов.

Ученые создали простую систему из фотоактивных коллоидов, которые покрыты разными красителями. Они смешали три вида коллоидов: голубые, розовые и желтые. Когда на эту смесь падает свет определенного цвета, например красный, голубые и желтые коллоиды начинают двигаться быстрее и отталкиваться друг от друга. А розовые коллоиды остаются спокойными. Тогда голубые и желтые коллоиды выстраиваются в слои, а розовые заполняют пространство между ними. Это называется фазовым разделением. Из-за этого смесь меняет свой цвет на красный, потому что она отражает свет того же цвета. Таким образом, ученые могут управлять фазовым разделением и цветом смеси коллоидов с помощью света.

Для демонстрации своих чернил ученые использовали модифицированный проектор, чтобы отобразить на них изображения, такие как логотип их университета и детские рисунки. Они обнаружили, что изображения сохранялись стабильными в течение примерно получаса, прежде чем чернила снова перемешивались. В будущем такие чернила могут быть использованы для создания автоматического камуфляжа.


— Джиньяо Тан.
Создание активного камуфляжа - не единственный проект исследователей. На сайте группы можно найти информацию о цветных электронных чернилах E-Ink Kaleido, которые являются одним из продуктов исследований.