Международная команда учёных из Университета Вестлейк (Китай), Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) и Московского физико-технического института (МФТИ) создала инновационный “умный” материал. Этот полимерный фотонный кристалл обладает удивительным свойством: его насыщенный структурный цвет исчезает при соприкосновении с водой и мгновенно возвращается при воздействии спирта, ацетона или даже лёгкого прикосновения. Детали этого открытия были представлены в научном издании Materials Today Nano.
Обратимое изменение цвета материала при комнатной температуре. На макроуровне: (a) “Запрограммированное” состояние — плёнка, обработанная водой и высушенная, теряет свой яркий цвет. (b) “Восстановленное” состояние — та же плёнка после обработки этанолом (спиртом) и высыхания возвращает свой первоначальный синий цвет. (c) Спектры отражения демонстрируют изменения. (d) Запись: на бесцветную плёнку (после воды) ватной палочкой с этанолом нанесена буква “W”, восстановившая синий цвет. (e) Стирание: на ярко-синюю плёнку ватной палочкой с водой нанесена буква “U”, удалившая цвет. На микроуровне: (f, i) После воды: поверхность хаотична и неровна, пористая структура разрушена. (g, j) После этанола: поверхность гладкая, упорядоченные гексагональные ячейки пор и идеальная периодическая структура, отражающая свет. (h, k) Оптическое и 3D-изображение границы между состояниями.
Материал позволяет легко создавать сложные узоры, такие как отпечаток пальца, QR-код или даже схемы микрочипов.
Большинство оттенков, которые мы видим в окружающем мире, создаются пигментами — молекулами, выборочно поглощающими свет. Однако существует и более тонкий, структурный механизм окраски, активно используемый природой. Вспомните, как переливаются крылья бабочки морфо или сияют опалы: их цвет обусловлен не химией, а уникальной наноскопической структурой, которая взаимодействует со светом, отражая волны определённой длины. Эти структуры называются фотонными кристаллами; они представляют собой упорядоченные решётки из диэлектрических материалов, которые для света работают подобно полупроводникам. В наши дни учёные с большим интересом изучают как неизменные, так и динамические фотонные кристаллы, способные менять свои оптические характеристики под влиянием внешних факторов.
Одновременно развивалась и другая перспективная отрасль материаловедения — полимеры с эффектом памяти формы. Эти материалы могут “запоминать” свою первоначальную конфигурацию и возвращаться к ней после деформации, обычно под воздействием тепла. Физики давно мечтали объединить оба направления: разработать материал, который сочетал бы в себе свойства фотонного кристалла и полимера с памятью формы. Это позволило бы контролировать цвет такого материала, изменяя его наноструктуру. Подобные материалы с структурно-цветовой памятью нашли бы применение в различных сферах, от QR-кодов и защитных покрытий до сенсоров. Однако существующие методы создания таких материалов требовали высоких температур или значительных механических усилий, что существенно ограничивало их практическое применение.
Именно поэтому научные коллективы из Китая и России сосредоточились на разработке полимерного фотонного кристалла, который можно было бы активировать при комнатной температуре с помощью простых и легкодоступных стимулов. Они использовали метод “инверсных опалов”. Процесс создания материала напоминал кропотливую работу скульптора: сначала учёные сформировали безупречную кристаллическую решётку из мельчайших кремнезёмных наносфер — своего рода шаблон из плотно уложенных микроскопических шариков. Затем эту структуру заполнили особым жидким мономерным “коктейлем” из этоксиэтоксиэтилакрилата (EOEOEA) и полиэтиленгликоль диакрилата (PEGDA). После воздействия ультрафиолетового света произошло полимеризация, в результате которой получился прочный и упругий сополимер. На заключительном этапе кремнезёмный шаблон был удалён, оставив после себя точный негативный отпечаток — пористую структуру, которая и стала фотонным кристаллом. Главным секретом успеха стал тщательно подобранный состав сополимера с чрезвычайно низкой температурой стеклования (около -43°C), что обеспечивает его исключительную гибкость и эластичность при обычных условиях.
Эта уникальная эластичность и определяет удивительные характеристики нового материала. Было обнаружено, что его насыщенный цвет, который возникает благодаря периодическому расположению пор, полностью исчезает, если нанести на него воду. По мере того как вода испаряется, её высокое поверхностное натяжение создаёт мощное капиллярное давление (известное как давление Лапласа), которое действует подобно микроскопическому прессу, сжимая пористую структуру. В результате такого воздействия порядок нарушается, и материал теряет свою яркость, становясь тусклым и полупрозрачным. Этот процесс назван “холодной” записью или программированием временного состояния.
Наиболее увлекательная часть заключается в обратимости этого процесса — восстановлении цвета. Чтобы вернуть материалу его первоначальный яркий оттенок, достаточно обработать его жидкостью с низким поверхностным натяжением, такой как этанол или ацетон. Капиллярные силы этих веществ слишком незначительны, чтобы поддерживать сжатую структуру. В этом случае внутренняя упругость полимера восстанавливает форму, поры “расправляются”, и идеальный порядок, а вместе с ним и насыщенный цвет, возвращается. Существует и второй, механический метод восстановления: лёгкое нажатие на обесцвеченную область также вызывает возвращение пор в исходное состояние. Это даёт возможность создавать на поверхности материала сложные, буквально “напечатанные” узоры.
«В основе нашего открытия лежит тонкий баланс сил на наноуровне, — поясняет Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики имени А. А. Абрикосова МФТИ. — Мы наблюдаем истинное противоборство: капиллярные силы стремятся сжать структуру, а внутренняя упругость полимера, наоборот, пытается её восстановить. Мы использовали капиллярное давление, возникающее при испарении воды, чтобы “схлопнуть” структуру и удалить цвет. Для восстановления же мы либо задействуем внутреннюю “упругую память” полимера, активируемую растворителями с низким поверхностным натяжением, либо применяем внешнее механическое давление, которое способствует расправлению пор. Это демонстрирует физику в действии, буквально на кончиках пальцев. Ключевым моментом стало создание нового сополимера с крайне низкой температурой стеклования. Это обеспечило его исключительную эластичность и “податливость” при комнатной температуре. Наша работа — это не просто создание нового материала, а разработка полноценной платформы для будущих устройств с обратимой оптической памятью».
Таким образом, учёные успешно создали интеллектуальный полимерный материал, способный обратимо менять цвет при комнатной температуре. Обесцвечивание происходит за счёт коллапса нанопор под воздействием сильных капиллярных сил, возникающих при испарении воды с высоким поверхностным натяжением. Возвращение цвета происходит при испарении этанола (обладающего низким поверхностным натяжением), который позволяет порам расправиться. Этот феномен открывает широкие возможности для создания перезаписываемых поверхностей, высокочувствительных датчиков и надёжных защитных меток. Проведённые тесты подтвердили, что материал способен выдерживать десятки циклов перезаписи без деградации свойств, а узоры, нанесённые механическим давлением, остаются стабильными на протяжении многих месяцев и могут быть мгновенно удалены водой.
Новый материал открывает перспективы для применения в биометрической идентификации или в качестве защитного элемента для документов и банкнот. Сенсоры, основанные на фотонном кристалле, изменяющем свой цвет в заданных условиях, могут эффективно детектировать специфические химические соединения, например, этанол или ацетон. Также эти разработки могут способствовать созданию перезаписываемых дисплеев и инновационных носителей информации. В дальнейшем учёные намерены улучшить состав полимера для достижения ещё более высокой скорости отклика и селективности к различным внешним воздействиям, а также интегрировать его в реальные электронные и оптические системы.
Научная статья: Matin Ashurov, Maksym Stetsenko, Alexey Kavokin, Stella Kavokina. Polymer Photonic Crystals for Shape Memory Applications. Materials Today Nano. Volume xxx, 2025. 100650. ISSN 2588-8420.
