エンジニアは 19 番を再利用する

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隠されたメッセージを明らかにするためにフィルムを引き伸ばすことを想像してください。 または、アームバンドの色をチェックして筋肉量を測定します。 あるいは、周回を重ねるごとに色合いが変わる水着を着ることもできます。 MIT のエンジニアによって復活させ、再利用された写真技術のおかげで、このようなカメレオンのような色が変化する素材が実現する可能性があります。

MIT チームは、19 世紀のカラー写真技術を現代のホログラフィック素材に適用することで、伸縮性のある素材に大規模な画像を印刷しました。この素材は、伸ばされると色が変化し、素材の歪みに応じてさまざまな波長を反射します。

研究者らは、フィルムを伸ばすと暖色系から寒色系に変化する詳細な花の花束を印刷した伸縮性のあるフィルムを作成した。 また、イチゴ、コイン、指紋などの物体の痕跡を明らかにするフィルムも印刷しました。

研究チームの成果は、「構造色」（化学添加物や染料によるものではなく、材料の微細構造の結果として生じる色）を持つ詳細で大規模な材料を製造するための、初めての拡張可能な製造技術を提供するものである。

「これらの構造をナノスケールで制御する必要があるため、これらの材料のスケーリングは簡単ではありません」と、MIT機械工学科の大学院生ベンジャミン・ミラーは言う。 「このスケーリングのハードルをクリアしたので、次のような問題を検討できるようになります。この材料を使用して、人間のような触覚を持つロボットの皮膚を作ることができるでしょうか? また、仮想拡張現実などのためのタッチセンシングデバイスを作成できるでしょうか?それとも医療訓練ですか? それは私たちが現在検討している大きな分野です。」

チームの結果は本日 Nature Materials に掲載されます。 ミラー氏の共著者は、マサチューセッツ工科大学の学部生ヘレン・リュー氏とマティアス・コレ氏（MIT機械工学准教授）です。

ホログラムの偶然

Kolle のグループは、自然からインスピレーションを得た光学材料を開発しています。 研究者らは、軟体動物の殻、蝶の羽、その他の虹色に輝く生物の光反射特性を研究しており、これらの生物は微細な表面構造によりきらめき、色が変化して見える。 これらの構造は、小型のカラーミラー、またはエンジニアがブラッグ反射板と呼ぶもののように、光を反射するために角度が付けられ、層状になっています。

Kolle's を含むグループは、さまざまな技術を使用して、この自然な構造色を材料で再現することを目指してきました。 精密なナノスケール構造をもつ小さなサンプルを生成する取り組みもあれば、より大きなサンプルを生成するものの光学的精度は劣る取り組みもあります。

研究チームは、「影響の大きいアプリケーションがいくつかあるにもかかわらず、[マイクロスケールの制御とスケーラビリティ] の両方を提供するアプローチは依然としてとらえどころがない」と書いている。

この課題をどう解決するか悩んでいたとき、ミラー氏は偶然 MIT 博物館を訪れ、そこで学芸員からホログラフィーに関する展示について説明を受けました。ホログラフィーとは、物理的な素材に 2 つの光線を重ね合わせることによって 3 次元の画像を生成する技術です。

「ホログラフィーで彼らが行っていることは、自然が構造色で行っていることと同じようなことだと気づきました」とミラー氏は言う。

この訪問をきっかけに、彼はホログラフィーとその歴史について学ぶようになり、1800 年代後半と、後にノーベル物理学賞を受賞したフランス・ルクセンブルクの物理学者ガブリエル・リップマンによって発明された初期のカラー写真技法であるリップマン写真に戻りました。技術。

リップマンは、最初に非常に薄く透明な乳剤（彼が感光性の小さな粒子から作った材料）の背後にミラーを設置することによってカラー写真を生成しました。 彼はセットアップに光線を照射し、それが鏡で乳剤を通して反射されました。 入ってくる光波と出ていく光波の干渉により、乳剤の粒子が刺激されて、多くの小さな鏡のようにその位置が再構成され、露光光のパターンと波長が反射されます。

この技術を使用して、リップマンは花やその他の風景の構造的に着色された画像を乳剤に投影しましたが、そのプロセスは面倒でした。 乳剤を手作りし、材料が光に十分にさらされるまで何日も待つ必要がありました。 これらの制限のため、この技術はほとんど歴史の中に消えていきました。

モダンなひねり

ミラー氏は、現代のホログラフィック素材と組み合わせることで、リップマン写真を高速化して、大規模で構造的に着色された素材を作成できるのではないかと考えました。 リップマン乳剤と同様に、現在のホログラフィック材料は感光性分子で構成されており、入射光子にさらされると架橋してカラーミラーを形成することができます。

「これらの最新のホログラフィック素材の化学反応は現在非常に敏感であるため、プロジェクターを使用してこの技術を短期間で実行することが可能です」と Kolle 氏は述べています。

彼らの新しい研究では、研究チームは、弾性のある透明なホログラフィック フィルムを反射する鏡のような表面 (この場合はアルミニウムのシート) に貼り付けました。 研究者らはその後、フィルムから数フィート離れたところに既製のプロジェクターを設置し、リップマン風の花束を含む各サンプルに画像を投影した。

彼らの予想通り、フィルムは数日ではなく数分以内に大きくて詳細な画像を生成し、元の画像の色を鮮やかに再現しました。

次に、フィルムを鏡から剥がし、サポートとして黒い弾性シリコンの裏地に貼り付けました。 彼らはフィルムを引き伸ばし、色の変化を観察しました。これは材料の構造色の結果です。材料が伸びて薄くなると、そのナノスケール構造はわずかに異なる波長を反射するように再構成され、たとえば赤から青に変化します。

研究チームは、フィルムの色が歪みに非常に敏感であることを発見しました。 完全に赤いフィルムを作成した後、それを厚さの異なるシリコンの裏地に貼り付けました。 裏地が最も薄い部分ではフィルムは赤のままでしたが、厚い部分ではフィルムに負担がかかり、フィルムが青くなりました。

同様に、さまざまな物体を赤いフィルムのサンプルに押し込むと、イチゴの種や指紋のしわなどによって、詳細な緑色の痕跡が残ることがわかりました。

興味深いことに、色付きの鏡を作成するときに、入射光に対してフィルムをある角度に傾けることで、隠された画像を投影することもできました。 この傾斜により、本質的に材料のナノ構造が赤方偏移した光のスペクトルを反射するようになりました。 たとえば、材料の露光および現像中に緑色の光が使用されると、赤色の光が反射され、赤色の光にさらされると、人間には見えない波長である赤外線を反射する構造が得られます。 材料が伸びると、この通常は見えない画像の色が変化し、赤く表示されます。

「この方法でメッセージをエンコードできます」と Kolle 氏は言います。

全体として、このチームの技術は、詳細な構造色のマテリアルの大規模な投影を可能にする最初の技術です。

「この研究の美しさは、大面積のフォトニック構造を生成するためのシンプルでありながら非常に効果的な方法を開発したという事実です」とケンブリッジ大学の化学および生体材料教授であるシルビア・ヴィニョリーニは言う。研究。 「この技術は、コーティングやパッ​​ケージング、さらにはウェアラブル機器にとっても変革をもたらす可能性があります。」

実際、コレ氏は、色が変化する新しい素材は繊維に簡単に統合できると指摘しています。

「リップマンの材料では、Speedo の製造さえ不可能だったでしょう」と彼は言います。 これで全身レオタードが作れます。

ファッションやテキスタイルを超えて、チームは静脈潰瘍や特定のリンパ疾患などの症状を治療する際に包帯の圧力レベルを監視するために使用する、色が変わる包帯などの用途を模索しています。

この研究は、ブリガム アンド ウィメンズ病院のジリアン レニー ステッピング ストロング トラウマ イノベーション センター、国立科学財団、サムスンの MIT デシュパンデ技術イノベーション センター、および MIT ME MathWorks シード ファンドの一部によって支援されました。

MITの研究者らは、「自然がどのように色を反射するかに基づいて、伸縮性の色が変化する素材を作成した」とWCVBのクロニクルでニコール・エスタファンが報告している。 「伸ばすと、これらの埋め込まれたナノ構造のサイズが変わり、戻ってくる光の色が変わります。私たちは、自然界で見られるもののような、弾力性のあるふにゃふにゃしたバージョンを作っています。」と大学院生のベンジャミン・ミラーは説明する。 」

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