211service.com
Kleuren maken met magneten
Een materiaal ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside, kan elke kleur van de regenboog aannemen, simpelweg door de wetenschappers de afstand tussen het materiaal en een magneet te veranderen. Het kan worden gebruikt in sensoren of, ingekapseld in microcapsules, in herschrijfbare posters of andere grote kleurendisplays.
Regenboog roest: Een oplossing van nanoscopische ijzeroxidedeeltjes verandert van kleur als een magneet dichterbij komt, waardoor de deeltjes zich herschikken. De kleur verandert van rood naar blauw naarmate de sterkte van het magnetische veld toeneemt.
De onderzoekers maakten het materiaal met behulp van een hoge-temperatuurmethode om op nanoschaal kristallijne deeltjes magnetiet, een vorm van ijzeroxide, te synthetiseren. Elk deeltje is gemaakt met een diameter van ongeveer 10 nanometer omdat magnetietdeeltjes, naarmate ze veel groter worden, permanente magneten worden, en daarom zouden clusteren en uit de oplossing vallen. De deeltjes van 10 nanometer groeperen zich om bolvormige clusters van uniforme grootte te vormen, elk met een diameter van ongeveer 120 nanometer; in tests zijn deze clusters maandenlang in oplossing gebleven.
Door deze clusters te coaten met een elektrisch geladen oppervlakteactieve stof, zorgen de onderzoekers ervoor dat de clusters elkaar afstoten. Wanneer onderzoekers een magneet gebruiken om de afstotende krachten tegen te gaan, herschikken de clusters en komen ze dichter bij elkaar, waardoor de kleur van het licht dat ze weerkaatsen verandert. Hoe sterker het magnetische veld, hoe dichter de deeltjes zijn, waarbij de kleur verandert van het rode uiteinde van het spectrum naar het blauwe, tegenovergestelde uiteinde, naarmate de magneet dichter bij het materiaal komt. Door de magneet weg te bewegen, kan de elektrostatische lading de deeltjes weer uit elkaar duwen, waardoor het systeem in zijn oorspronkelijke staat terugkeert.
Het mooie van dit systeem is dat het zo eenvoudig is, zegt Orlin Velev , een professor in scheikunde en biomoleculaire engineering aan de North Carolina State University. Het kan over grote oppervlakken worden gebruikt omdat het erg goedkoop en heel gemakkelijk te maken is. Het werk is gepubliceerd in de vroege online editie van het tijdschrift toegepaste chemie .
multimedia
Video van de oplossing die van kleur verandert.
Een aantal andere onderzoekers hebben van kleur veranderende materialen ontwikkeld, waarvan sommige ook worden bestuurd met magnetische krachten; anderen gebruiken elektrische of mechanische krachten. De Riverside-onderzoekers, onder leiding van Yadong Yin , een hoogleraar scheikunde kan echter veel meer magnetisch materiaal per bolvormige bouwsteen verpakken dan voorheen mogelijk was. Sanford Asher , een professor in de chemie en materiaalkunde aan de Universiteit van Pittsburgh die magnetietdeeltjes in polymeerbolletjes heeft ingekapseld, zegt dat de nieuwe benadering de hoeveelheid magnetisch materiaal vervijfvoudigt.
Hierdoor kunnen de nieuwe materialen worden afgestemd op een groter aantal kleuren dan eerder gemaakte materialen. Velev van de staat North Carolina, die werkt aan materialen die van kleur veranderen als reactie op elektronische signalen, zegt dat hij geen ander materiaal kent dat zo'n breed scala aan kleuren kan aannemen.
De onderzoekers van Riverside ontdekten dat het verwerken van de materialen bij hoge temperaturen ervoor zorgde dat de deeltjes van 10 nanometer zich vormden met een kristallijne atomaire structuur. Het zorgde er ook voor dat de deeltjes zich groepeerden om clusters van vergelijkbare grootte te vormen. Daarentegen resulteert de meer algemeen gebruikte synthese bij kamertemperatuur in deeltjes die onregelmatige agglomeraties vormen. De uniformiteit van de clusters en de kristalliniteit van de deeltjes lijken de magnetische respons van de materialen te verbeteren, zegt Yin, hoewel hij en zijn collega's nog steeds de onderliggende mechanismen onderzoeken.
De materialen kunnen twee keer per seconde van kleur wisselen, wat nog steeds te traag is voor gebruik in tv's en computermonitoren. Yin hoopt de schakelsnelheid nog verder te verhogen door kleinere hoeveelheden materiaal te gebruiken, wellicht in microscopisch kleine capsules. Dergelijke kleine hoeveelheden maken het gemakkelijker om een uniform magnetisch veld aan het hele monster te presenteren, wat mogelijk de herschikking van de clusters ten goede komt. Dergelijke microcapsules kunnen ook worden gerangschikt om pixels in een display te vormen, zoals nu wordt gedaan met E-Ink, een soort elektronisch papier dat wordt gebruikt in sommige elektronische boeklezers en mobiele telefoons. (Zie Een goede lezing .)
Maar zelfs met hogere snelheden verwacht Yin niet dat de materialen de huidige computermonitortechnologie zullen vervangen. In plaats daarvan heeft hij zijn zinnen gezet op toepassingen op grotere schaal die zouden profiteren van de lage kosten van de materialen. Voorbeelden hiervan zijn posters die kunnen worden herschreven, maar niet zo snel hoeven te veranderen als weergaven van video.
Een belangrijk nadeel van de huidige materialen is dat ze een constante stroomtoevoer nodig hebben om het magnetische veld te behouden en de microcapsules op een vaste kleur te houden. De volgende stap van Yin is het ontwikkelen van een versie van de materialen die stabiel blijft nadat hun kleur is veranderd, dat wil zeggen, totdat ze worden overgeschakeld naar een nieuwe kleur. Als dit mogelijk is, zou een poster kunnen worden afgedrukt met zoiets als de lees-schrijfkop op een harde schijf, zegt Yin. Het zou de afbeelding behouden totdat het wordt herschreven met een nieuwe doorgang van de printkop, zonder tussendoor stroom te gebruiken.
In dit stadium is het leuk om mee te spelen, zegt Velev. Misschien kan het in latere stadia worden gebruikt voor een decoratief doel, zoals verf die van kleur verandert, of nieuwe soorten etiketten of displayborden. Op dit moment is het een prachtig stuk onderzoek.