211service.com
Göra färger med magneter
Ett material som utvecklats av forskare vid University of California, Riverside kan anta vilken färg som helst på regnbågen, helt enkelt genom att forskarna ändrar avståndet mellan materialet och en magnet. Den kan användas i sensorer eller, inkapslad i mikrokapslar, i omskrivbara affischer eller andra stora färgskärmar.
Regnbågsrost: En lösning av nanoskopiska järnoxidpartiklar ändrar färg när en magnet kommer närmare, vilket gör att partiklarna omorganiseras. Färgen ändras från rött till blått när magnetfältets styrka ökar.
Forskarna tillverkade materialet med en högtemperaturmetod för att syntetisera kristallina partiklar av magnetit i nanoskala, en form av järnoxid. Varje partikel gjordes cirka 10 nanometer i diameter eftersom magnetitpartiklarna blir permanenta magneter när de blir mycket större än så och därför skulle klunga ihop sig och falla ur lösningen. Partiklarna på 10 nanometer grupperar sig för att bilda sfäriska kluster av samma storlek, var och en med en diameter på cirka 120 nanometer; i tester har dessa kluster hållit sig suspenderade i lösning i månader.
Genom att belägga dessa kluster med ett elektriskt laddat ytaktivt ämne får forskarna klustren att stöta bort varandra. När forskare använder en magnet för att motverka de avstötande krafterna, arrangeras klustren om och flyttar sig närmare varandra, vilket ändrar färgen på ljuset de reflekterar. Ju starkare magnetfält, desto närmare partiklarna, med färgen som ändras från den röda änden av spektrumet mot den blå, motsatta änden, när magneten kommer närmare materialet. Genom att flytta bort magneten kan den elektrostatiska laddningen tvinga isär partiklarna igen, vilket återställer systemet till sitt ursprungliga tillstånd.
Det fina med det här systemet är att det är så enkelt, säger man Orlin Velev , en kemi och biomolekylär ingenjörsvetenskap professor vid North Carolina State University. Den kan användas över stora ytor eftersom den är väldigt billig och väldigt enkel att göra. Verket publiceras i tidskriftens tidiga onlineupplaga tillämpad kemi .
Multimedia
Video där lösningen ändrar färg.
Ett antal andra forskare har utvecklat färgskiftande material, varav några också styrs med magnetiska krafter; andra använder elektriska eller mekaniska krafter. Riverside-forskarna, under ledning av Yadong Yin , en professor i kemi, kan dock packa mycket mer magnetiskt material per sfärisk byggsten som tidigare var möjligt. Sanford Asher , en professor i kemi och materialvetenskap vid University of Pittsburgh som har kapslat in magnetitpartiklar i polymersfärer, säger att det nya tillvägagångssättet ökar mängden magnetiskt material med fem gånger.
Som ett resultat kan de nya materialen trimmas till ett större antal färger än tidigare tillverkade material. Faktum är att North Carolina State's Velev, som arbetar med material som ändrar färg som svar på elektroniska signaler, säger att han inte känner till något annat material som kan anta ett så brett spektrum av färger.
Riverside-forskarna fann att bearbetning av materialen vid höga temperaturer säkerställde att 10-nanometer-partiklarna bildades med en kristallin atomstruktur. Det fick också partiklarna att gruppera sig för att bilda kluster av samma storlek. Däremot resulterar mer allmänt använd syntes vid rumstemperatur i partiklar som bildar oregelbundna agglomerationer. Klustrens enhetlighet och partiklarnas kristallinitet verkar förbättra materialens magnetiska respons, säger Yin, även om han och hans kollegor fortfarande tittar på de underliggande mekanismerna som är involverade.
Materialen kan byta färg med en hastighet av två gånger i sekunden, vilket fortfarande är för långsamt för användning i TV-apparater och datorskärmar. Yin hoppas kunna öka växlingshastigheten ännu mer genom att använda mindre mängder material, kanske i mikroskopiska kapslar. Sådana små mängder kommer att göra det lättare att presentera ett enhetligt magnetfält för hela provet, vilket potentiellt kan hjälpa omarrangemanget av klustren. Sådana mikrokapslar skulle också kunna arrangeras för att bilda pixlar i en display, som nu görs med E-Ink, en typ av elektroniskt papper som används i vissa elektroniska bokläsare och mobiltelefoner. (Se En bra läsning.)
Men även med högre hastigheter förväntar sig Yin inte att materialen ska ersätta nuvarande datorskärmsteknik. Snarare har han siktet inställt på större applikationer som skulle dra fördel av de låga kostnaderna för materialen. Exempel kan vara affischer som kan skrivas om men som inte behöver ändras lika snabbt som visningar av video.
En betydande nackdel med de nuvarande materialen är att de skulle behöva en konstant strömförsörjning för att bevara magnetfältet och hålla mikrokapslarna i en bestämd färg. Yins nästa steg är att utveckla en version av materialen som förblir stabil efter att deras färg har ändrats – det vill säga tills de byts till en ny färg. Om detta är möjligt kan en affisch skrivas ut med något som läs-skrivhuvudet på en hårddisk, säger Yin. Det skulle bevara bilden tills den skrivs om med ytterligare ett pass av skrivhuvudet, utan att använda någon ström däremellan.
I det här skedet är det roligt att leka med, säger Velev. Kanske kan den i senare skeden användas för något dekorativt syfte, som färg som ändrar färg, eller några nya typer av etiketter eller skylttavlor. Just nu är det ett vackert stycke forskning.