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Farben machen mit Magneten
Riverside, ein von Forschern der University of California entwickeltes Material, kann jede Farbe des Regenbogens annehmen, indem die Wissenschaftler einfach den Abstand zwischen dem Material und einem Magneten ändern. Es könnte in Sensoren oder, in Mikrokapseln gekapselt, in wiederbeschreibbaren Postern oder anderen großen Farbdisplays verwendet werden.
Regenbogenrost: Eine Lösung aus nanoskopischen Eisenoxidpartikeln ändert ihre Farbe, wenn sich ein Magnet nähert, wodurch sich die Partikel neu anordnen. Mit zunehmender Stärke des Magnetfelds ändert sich die Farbe von Rot nach Blau.
Die Forscher stellten das Material mit einem Hochtemperaturverfahren her, um nanoskalige, kristalline Partikel von Magnetit, einer Form von Eisenoxid, zu synthetisieren. Jedes Partikel wurde mit einem Durchmesser von etwa 10 Nanometern hergestellt, da Magnetitpartikel, wenn sie viel größer werden, zu Dauermagneten werden und sich daher zusammenballen und aus der Lösung fallen würden. Die 10-Nanometer-Partikel gruppieren sich zu kugelförmigen Clustern von einheitlicher Größe mit einem Durchmesser von jeweils etwa 120 Nanometern; in Tests blieben diese Cluster monatelang in Lösung suspendiert.
Durch die Beschichtung dieser Cluster mit einem elektrisch geladenen Tensid bewirken die Forscher, dass sich die Cluster gegenseitig abstoßen. Wenn Forscher einen Magneten verwenden, um den abstoßenden Kräften entgegenzuwirken, ordnen sich die Cluster neu an und rücken näher zusammen, wodurch die Farbe des von ihnen reflektierten Lichts verändert wird. Je stärker das Magnetfeld ist, desto näher kommen die Partikel, wobei sich die Farbe vom roten Ende des Spektrums zum blauen, entgegengesetzten Ende ändert, wenn der Magnet näher an das Material kommt. Wenn der Magnet wegbewegt wird, kann die elektrostatische Ladung die Partikel wieder auseinanderdrücken und das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzen.
Das Schöne an diesem System ist, dass es so einfach ist, sagt Orlin Velev , Professor für Chemie und Biomolekulartechnik an der North Carolina State University. Es kann auf großen Flächen verwendet werden, da es sehr kostengünstig und sehr einfach herzustellen ist. Die Arbeit wird in der frühen Online-Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie .
Multimedia
Video des Farbwechsels der Lösung.
Eine Reihe anderer Forscher haben farbverändernde Materialien entwickelt, von denen einige auch mit Magnetkräften gesteuert werden; andere verwenden elektrische oder mechanische Kräfte. Die Riverside-Forscher unter der Leitung von Yadong Yin , einem Chemieprofessor, jedoch weit mehr magnetisches Material pro Kugelbaustein verpacken, als es bisher möglich war. Sanford Asher , ein Professor für Chemie und Materialwissenschaften an der University of Pittsburgh, der Magnetitpartikel in Polymerkugeln eingekapselt hat, sagt, dass der neue Ansatz die Menge an magnetischem Material um das Fünffache erhöht.
Dadurch können die neuen Materialien auf eine größere Anzahl von Farben abgestimmt werden als bisher hergestellte Materialien. Velev aus dem US-Bundesstaat North Carolina, der an Materialien arbeitet, die als Reaktion auf elektronische Signale ihre Farbe ändern, sagt, er kenne kein anderes Material, das eine so breite Palette von Farben annehmen kann.
Die Riverside-Forscher fanden heraus, dass die Verarbeitung der Materialien bei hohen Temperaturen dafür sorgte, dass sich die 10-Nanometer-Partikel mit einer kristallinen Atomstruktur bildeten. Es führte auch dazu, dass sich die Partikel zu Clustern ähnlicher Größe gruppierten. Im Gegensatz dazu führt die häufiger verwendete Synthese bei Raumtemperatur zu Partikeln, die unregelmäßige Agglomerationen bilden. Die Einheitlichkeit der Cluster und die Kristallinität der Partikel scheinen die magnetische Reaktion der Materialien zu verbessern, sagt Yin, obwohl er und seine Kollegen noch immer die zugrunde liegenden Mechanismen untersuchen.
Die Materialien können die Farbe zweimal pro Sekunde wechseln, was für den Einsatz in Fernsehern und Computermonitoren noch zu langsam ist. Yin hofft, die Schaltgeschwindigkeit durch den Einsatz geringerer Materialmengen, vielleicht in mikroskopischen Kapseln, noch weiter erhöhen zu können. Solch kleine Mengen machen es einfacher, der gesamten Probe ein gleichförmiges Magnetfeld zu präsentieren, was möglicherweise die Neuordnung der Cluster unterstützt. Auch könnten solche Mikrokapseln angeordnet werden, um Pixel in einer Anzeige zu bilden, wie dies jetzt bei E-Ink, einer Art von elektronischem Papier, das in einigen elektronischen Buchlesegeräten und Mobiltelefonen verwendet wird, gemacht wird. (Siehe Eine gute Lektüre.)
Aber selbst bei höheren Geschwindigkeiten erwartet Yin nicht, dass die Materialien die aktuelle Computer-Monitor-Technologie ersetzen werden. Vielmehr hat er größere Anwendungen im Visier, die die geringen Materialkosten ausnutzen. Beispiele könnten Poster sein, die umgeschrieben werden können, sich aber nicht so schnell ändern müssen wie Videoanzeigen.
Ein wesentlicher Nachteil der derzeitigen Materialien besteht darin, dass sie eine konstante Stromversorgung benötigen würden, um das Magnetfeld zu erhalten und die Mikrokapseln auf einer festgelegten Farbe zu halten. Yins nächster Schritt besteht darin, eine Version der Materialien zu entwickeln, die auch nach dem Farbwechsel stabil bleibt, also bis zum Wechsel auf eine neue Farbe. Wenn dies möglich ist, könnte ein Poster mit so etwas wie dem Schreib-Lese-Kopf auf einer Festplatte gedruckt werden, sagt Yin. Es würde das Bild bewahren, bis es mit einem weiteren Durchgang des Druckkopfs neu geschrieben wird, ohne dass dazwischen Strom verbraucht wird.
In dieser Phase macht es Spaß, damit zu spielen, sagt Velev. Vielleicht könnte es zu einem späteren Zeitpunkt für dekorative Zwecke verwendet werden, beispielsweise für Farbe, die die Farbe ändert, oder für einige neue Arten von Etiketten oder Anzeigetafeln. Im Moment ist es eine schöne Forschungsarbeit.