Fremstilling af farver med magneter

Et materiale udviklet af forskere ved University of California, Riverside, kan antage enhver regnbuefarve, blot ved at forskerne ændrer afstanden mellem materialet og en magnet. Det kan bruges i sensorer eller indkapslet i mikrokapsler, i genskrivbare plakater eller andre store farveskærme.





Regnbue rust: En opløsning af nanoskopiske jernoxidpartikler ændrer farve, når en magnet kommer tættere på, hvilket får partiklerne til at omarrangere. Farven skifter fra rød til blå, efterhånden som magnetfeltets styrke øges.

Forskerne lavede materialet ved hjælp af en højtemperaturmetode til at syntetisere nanoskala, krystallinske partikler af magnetit, en form for jernoxid. Hver partikel blev lavet omkring 10 nanometer i diameter, fordi, efterhånden som de bliver meget større end dette, bliver magnetitpartikler til permanente magneter, og de ville derfor klynge sig sammen og falde ud af opløsningen. 10-nanometer-partiklerne grupperer sig for at danne ensartede sfæriske klynger, hver omkring 120 nanometer på tværs; i test har disse klynger været suspenderet i opløsning i flere måneder.

Ved at belægge disse klynger med et elektrisk ladet overfladeaktivt stof får forskerne klyngerne til at frastøde hinanden. Når forskere bruger en magnet til at modvirke de frastødende kræfter, omarrangeres klyngerne og rykker tættere sammen, hvilket ændrer farven på det lys, de reflekterer. Jo stærkere magnetfeltet er, jo tættere er partiklerne, og farven skifter fra den røde ende af spektret mod den blå, modsatte ende, efterhånden som magneten kommer tættere på materialet. Ved at flytte magneten væk kan den elektrostatiske ladning tvinge partiklerne fra hinanden igen, hvilket bringer systemet tilbage til dets oprindelige tilstand.



Det smukke ved dette system er, at det er så enkelt, siger Orlin Velev , en professor i kemi og biomolekylær ingeniør ved North Carolina State University. Det kan bruges over store områder, fordi det er meget billigt og meget nemt at lave. Værket er offentliggjort i den tidlige online-udgave af tidsskriftet anvendt kemi .

Multimedier

  • Video af opløsningen, der skifter farve.

En række andre forskere har udviklet farveskiftende materialer, hvoraf nogle også styres med magnetiske kræfter; andre bruger elektriske eller mekaniske kræfter. Riverside-forskerne, ledet af Yadong Yin , en professor i kemi, er dog i stand til at pakke langt mere magnetisk materiale pr. sfærisk byggeblok, som tidligere var muligt. Sanford Asher , en professor i kemi og materialevidenskab ved University of Pittsburgh, som har indkapslet magnetitpartikler i polymerkugler, siger, at den nye tilgang femdobler mængden af ​​magnetisk materiale.

Som følge heraf kan de nye materialer tunes til et større antal farver end tidligere fremstillede materialer. Faktisk siger North Carolina State's Velev, der arbejder på materialer, der ændrer farve som reaktion på elektroniske signaler, at han ikke kender til noget andet materiale, der er i stand til at antage et så bredt udvalg af farver.



Riverside-forskerne fandt ud af, at behandling af materialerne ved høje temperaturer sikrede, at partiklerne på 10 nanometer blev dannet med en krystallinsk atomstruktur. Det fik også partiklerne til at gruppere sig for at danne klynger af samme størrelse. I modsætning hertil resulterer mere almindeligt anvendt syntese ved stuetemperatur i partikler, der danner uregelmæssige agglomerationer. Ensartetheden af ​​klyngerne og partiklernes krystallinitet ser ud til at forbedre materialernes magnetiske respons, siger Yin, selvom han og hans kolleger stadig kigger på de underliggende involverede mekanismer.

Materialerne kan skifte farver med en hastighed på to gange i sekundet, hvilket stadig er for langsomt til brug i tv og computerskærme. Yin håber at øge skiftehastigheden endnu mere ved at bruge mindre mængder materiale, måske i mikroskopiske kapsler. Sådanne små mængder vil gøre det lettere at præsentere et ensartet magnetfelt for hele prøven, hvilket potentielt hjælper med at omarrangere klyngerne. Sådanne mikrokapsler kunne også arrangeres til at danne pixels i en skærm, som det nu sker med E-Ink, en type elektronisk papir, der bruges i nogle elektroniske boglæsere og mobiltelefoner. (Se God læsning.)

Men selv med højere hastigheder forventer Yin ikke, at materialerne erstatter den nuværende computer-monitor-teknologi. Tværtimod har han sigtet rettet mod større applikationer, der ville drage fordel af de lave omkostninger ved materialerne. Eksempler kunne omfatte plakater, der kan omskrives, men som ikke behøver at ændre sig så hurtigt som visninger af video.



En væsentlig ulempe ved de nuværende materialer er, at de ville have brug for en konstant strømforsyning for at bevare magnetfeltet og holde mikrokapslerne i en bestemt farve. Yins næste trin er at udvikle en version af materialerne, der forbliver stabile, efter deres farve er ændret - det vil sige, indtil de skifter til en ny farve. Hvis dette er muligt, så kunne en plakat printes med noget som læse-skrivehovedet på en harddisk, siger Yin. Det ville bevare billedet, indtil det er omskrevet med en anden gennemgang af printhovedet, uden at bruge nogen strøm imellem.

På dette stadie er det sjovt at lege med, siger Velev. Måske kunne det på senere tidspunkter bruges til et eller andet dekorativt formål, såsom maling, der skifter farve, eller nogle nye typer etiketter eller udstillingstavler. Lige nu er det et smukt stykke forskning.

skjule