Международная группа ученых из Университета Вестлейк (Китай), СПбГУ и МФТИ создала инновационный «умный» материал. Этот полимерный фотонный кристалл обладает эффектом памяти формы и способен изменять свой насыщенный структурный цвет: он «теряет» его при воздействии воды, но быстро восстанавливает под действием спирта, ацетона или даже простого прикосновения. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Today Nano.
Мир вокруг нас насыщен цветами, и многие из них существуют благодаря пигментам — молекулам, которые поглощают определенные участки светового спектра. Однако природа использует и другой, более утонченный метод окрашивания — структурный. Как переливы на крыльях бабочки морфо или сияние опалов, эта окраска создается не химическими процессами, а физическими: наноскопическая структура материала взаимодействует со светом, отражая волны определенной длины. Эти структуры, известные как фотонные кристаллы, являются упорядоченными решетками из диэлектрических материалов и функционируют как полупроводники для света. В последнее время исследователи активно изучают как статические, так и динамические фотонные кристаллы — способные изменять свои оптические характеристики под воздействием внешних факторов.
Вместе с этим активно развивалась иная область материаловедения — полимеры с эффектом памяти формы. Эти материалы обладают способностью сохранять свою первоначальную форму и, после деформации, восстанавливать ее под воздействием внешнего воздействия, как правило, теплового нагрева. Еще давно физики стремились объединить эти характеристики: разработать материал, сочетающий в себе свойства фотонного кристалла и полимера с памятью формы. Изменение формы материала на наноуровне позволило бы управлять его цветом. Возможности структурно-цветовой памяти материалов могут быть применены в широком спектре задач, включая создание QR-кодов, защитных пленок и сенсоров. Ранее используемые методы реализации такой памяти либо нуждались в повышенных температурах, либо требовали существенных механических усилий, что препятствовало их практическому применению.
Китайско-российская научная группа поставила перед собой задачу разработки фотонного кристалла на основе полимера, управляемого при комнатной температуре и использующего простые и доступные факторы воздействия. В качестве платформы для реализации этой задачи была выбрана технология инверсных опалов. Проведенная работа напоминала творческий процесс скульптора: изначально из мельчайших кремнеземных наносфер создали идеальную кристаллическую структуру — шаблон, представляющий собой плотно расположенные микроскопические шарики. Затем в полученное пространство залили специально приготовленный жидкий мономерный состав, состоящий из этоксиэтоксиэтил акрилата (EOEOEA) и полиэтиленгликоль диакрилата (PEGDA). Последующая полимеризация под воздействием ультрафиолетового излучения привела к образованию прочного и эластичного сополимера. На заключительном этапе кремнеземный шаблон был удален растворением, что позволило получить точный негативный отпечаток — пористую структуру, являющуюся фотонным кристаллом. Важным фактором, обеспечившим успех ученых, стала оптимизация состава сополимера, который характеризуется крайне низкой температурой стеклования (около –43 °C), что делает его весьма гибким и эластичным при комнатной температуре.
Благодаря этой эластичности новый материал приобрел уникальные характеристики. Исследования показали, что его насыщенный цвет, возникающий из-за периодической структуры пор, можно полностью устранить, используя воду. При испарении воды ее высокое поверхностное натяжение создает значительные капиллярные силы, известные как давление Лапласа, которые, подобно микроскопическому прессу, деформируют пористую структуру. Структура становится дисперсной, и материал теряет яркость, становясь полупрозрачным. Это и есть метод «холодной» записи или программирования временного состояния.
На этапе восстановления происходит самое увлекательное. Для возвращения материалу его первоначального цвета достаточно обработки жидкостью с низким поверхностным натяжением, такой как этанол или ацетон. Капиллярное натяжение этих жидкостей недостаточно велико, чтобы поддерживать структуру в сжатом виде. Внутренняя упругость полимера преобладает, поры расширяются, и первоначальный порядок восстанавливается, возвращая яркость цвета. Альтернативным методом восстановления является механическое воздействие. Небольшое давление, оказываемое на поврежденный участок, также приводит к возвращению пор в исходное состояние. Это позволяет создавать на поверхности материала сложные узоры, фактически «печатать» на ней.
«В основе нашего открытия – тонкий баланс сил на наноуровне. Мы фиксируем взаимодействие между капиллярными силами, которые стремятся деформировать структуру, и внутренней упругостью полимера, препятствующей этому. Мы использовали капиллярное давление, возникающее при испарении воды, чтобы «схлопнуть» структуру и изменить ее цвет. Для восстановления мы применяем либо внутреннюю «упругую память» полимера, активируемую растворителями с низким поверхностным натяжением, либо прикладываем внешнее давление, способствующее раскрытию пор. Это наглядная демонстрация физических процессов», — пояснила Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики имени А.А. Абрикосова МФТИ. — Синтез сополимера с крайне низкой температурой стеклования оказался решающим фактором успеха. Благодаря этому материал приобрел исключительную эластичность и стал легко обрабатываемым при комнатной температуре. Мы не только разработали новый материал, но и создали комплексную платформу для реализации устройств с обратимой оптической памятью».
Разработан полимерный материал с изменяемым цветом, который можно обратимо переключать при комнатной температуре. Изменение цвета вызвано схлопыванием нанопор вследствие капиллярных сил во время испарения воды (характеризующейся высоким поверхностным натяжением). «Восстановление» цвета происходит при испарении этанола (с низким поверхностным натяжением), который возвращает поры в исходное состояние. Данный эффект может быть применен для создания поверхностей с возможностью перезаписи, датчиков и защитных меток. Результаты экспериментов демонстрируют, что материал способен выдержать множество циклов перезаписи без ухудшения характеристик, а узоры, нанесенные с помощью давления, сохраняются в течение нескольких месяцев, но могут быть быстро удалены водой
Этот материал перспективен для биометрической идентификации и в качестве защитного элемента на документах и банкнотах. Фотонные кристаллы, изменяющие цвет под воздействием определенных факторов, могут служить сенсорами для обнаружения химических веществ, например, этанола или ацетона. Кроме того, они могут быть применены при создании перезаписываемых дисплеев и носителей информации. В дальнейшем планируется усовершенствовать состав полимера для повышения скорости реакции и улучшения его способности реагировать на различные воздействия, а также интегрировать его в действующие электронные и оптические устройства.
Matin Ashurov, Maksym Stetsenko, Alexey Kavokin, Stella Kavokina. Полимерные фотонные кристаллы для приложений с эффектом памяти формы. Materials Today Nano, том xxx, 2025, 100650, ISSN 2588-8420, https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2025.100650.
Информация предоставлена Центром научной коммуникации Московского физико-технического института