Без пигментов и выцветания: Рассказываем, как работает технология «вечных» красок MorphoChrome

Перья колибри, крылья бабочки и мерцание опала — все это примеры способности природы создавать структурные переливающиеся цвета, для воспроизведения которых обычно требуются лабораторные материалы и сложные технологии. Команда MIT заявляет, что нашла способ сделать этот процесс гораздо более доступным.

Назвав свою технологию MorphoChrome, команда из лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта MIT (CSAIL) создала портативную систему, которая использует лазерный свет для «рисования» переливающихся программируемых структурных цветов на коммерчески доступной голографической фотополимерной пленке. Эту пленку затем можно интегрировать как в гибкие, так и в жесткие объекты.

Если вы не знакомы со структурным цветом и создаваемой им иридесценцией, возможно, не поймете, почему это такое большое достижение. Переливающиеся, изменяющиеся цвета, встречающиеся в природе и в искусственных объектах, являются результатом не пигментов, а физических наноструктур, которые позволяют отражать определенные длины волн света в зависимости от угла обзора и других факторов. Структурные цвета, как правило, не выцветают со временем, поскольку в них не задействованы пигменты, что дает им множество полезных применений помимо простого визуального эффекта.

Как отметила команда CSAIL, человеческие методы получения переливающихся структурных цветов долгое время были ограничены лабораторными условиями. «Ученые создавали структурно окрашенные пигменты и метаматериалы, но эти методы требуют сложной химии и материалов, ограничивая доступ к ним отдельными специалистами и лабораториями», — написала команда в своей работе. «Творческое использование структурного цвета исторически ограничивалось применением существующих природных материалов, таких как отдельные раковины, перья или драгоценные камни».

Возвращаясь к MorphoChrome, команда CSAIL, похоже, обошла это ограничение, с дополнительным преимуществом того, что процесс происходит в реальном времени и достижим с оборудованием, ограниченным упомянутым портативным устройством и подключенным ноутбуком.

MorphoChrome использует 3D-печатное устройство, оснащенное красными, зелеными и синими лазерными диодами, которые смешиваются в оптической призме на основе выбора цвета, сделанного пользователем в сопутствующем приложении Python на компьютере, подключенном к устройству через USB-C. Коммерчески доступную фотополимерную пленку — того же типа, что используется для создания голографических эффектов на паспортах, дебетовых картах и других объектах — затем можно «раскрашивать» с помощью устройства MorphoChrome.

Вы можете подумать, что структурная иридесценция уже существует на упомянутых объектах, и это правда, но эти эффекты обычно создаются как фиксированные дизайны с использованием специализированных производственных методов, а не то, что пользователи могут изменять или «раскрашивать» в реальном времени.

«Регулируя интенсивность цвета в реальном времени, пользователи могут создавать и модулировать структурно окрашенные мазки кисти непосредственно вручную», — сообщила команда. «Интенсивность каждого лазера цифровым образом контролируется через широтно-импульсную модуляцию, что позволяет тонко настраивать мощность и баланс цветов».

Как показано на примере изображения из работы, команда экспериментировала с кулоном в форме бабочки, к которому был прикреплен кусок фотополимера с помощью смолы.

MIT News сообщили, что они также использовали технологию для модификации пары перчаток для гольфа, которые меняли цвет на правильный — зеленый — только тогда, когда пользователь держал клюшку в правильном положении, что указывает на другие практические применения технологии помимо создания произведений искусства и украшений.

«Нас интересуют визуально адаптивные носимые устройства (то есть пассивные цветовые датчики), поскольку наша портативная система позволяет создавать индивидуальные дизайны для тела», — рассказала ведущий автор Пэрис Майерс, аспирантка MIT кафедры электротехники и компьютерных наук и исследователь CSAIL. Такие пассивные цветовые датчики можно использовать, например, чтобы определить, не опухла ли повязка на ране (соавтор Бен Миллер работал над таким проектом), или не произошли ли изменения в условиях окружающей среды.

«Кроме того, вдохновленные тем, как головоногие используют отражения поляризованного света для общения, мы заинтересованы в расширении этой технологии для интеграции программируемой дискретной коммуникации и считывания через оптические методы, такие как фазовое кодирование», — добавила Майерс.

Учитывая такие возможные применения, Майерс рассказала, что следующее, над чем работает ее команда, — это разработка перепрограммируемого варианта MorphoChrome, поскольку текущая версия фотополимерной пленки не может быть повторно экспонирована для изменения цветов. Статья на эту тему готовится к публикации.

Что касается коммерциализации такой технологии, то сейчас это не обсуждается — но может быть в будущем. «У нас нет текущих планов коммерциализации, но мы хотели бы сотрудничать с промышленностью и правительством», — пояснила Майерс.