הם מתאימים ביותר למגוון סוגים של ממסים, כגון מים, כהלים, הקסאן ואפילו תמיסות פולימריות, דבר המאפשר להם לשמור על יכולתם לשנות את הצבע בחשיפה לשדה מגנטי במגוון של סביבות כימיות.
צוות מחקר בראשותו של כימאי מאוניברסיטת קליפורניה הפיק חרוזים פולימריים מיקרוסקופיים המשנים את צבעם באופן מיידי והפיך בחשיפה לשדה מגנטי חיצוני.
החרוזים, או כפי שמכנים אותם – “מיקרו-כדוריות מגנטוכרומטיות” (“magnetochromatic microspheres”) הם בעלי יציבות מבנית מעולה. בנוסף, הם מתאימים ביותר למגוון סוגים של ממסים, כגון מים, כהלים, הקסאן ואפילו תמיסות פולימריות, דבר המאפשר להם לשמור על יכולתם לשנות את הצבע בחשיפה לשדה מגנטי במגוון של סביבות כימיות.
“בניגוד לגישות רגילות רבות, שינוי הצבע המיידי מתרחש ללא שינוי במבנה או בתכונות הפנימיות של מיקרו-הכדוריות עצמן,” הסביר החוקר Yadong Yin, פרופסור לכימיה, אשר הוביל את המחקר בשיתוף פעולה עם מדענים מדרום קוריאה.
“מה שמשתנה במקום זאת הינן השדות המגנטיים הפועלים חיצונית על הכיווניות של מיקרו-הכדוריות עצמן – שהינן גבישים פוטוניים. המחקר שלנו מספק מנגנון חדיש להשראת שינויי צבע בחומרים. כעת, לראשונה א-פעם, ניתן לייצר חומרים פוטוניים יציבים בעלי יכולת לכוונון צבעם בקנה-מידה נרחב.”
יישומים של החומרים החדשים יכולים להיות ביחידות תצוגה ברות-מחיקה שונות, פוסטרים, ניירות ותגיות, וכן בסמני-בטיחות משופעלים-מגנטית אחרים (כמו ברקוד). החומר החדש יכול לשמש גם להפקת צבענים ידידותיים לסביבה עבור צבעים וחומרי-קוסמטיקה, וכן חומרי-דיו עבור מדפסות צבע.
“בטווח מסוים, ניתן לכוונן את צבע החומר גם ע”י סיבוב פשוט של מיקרו-הכדוריות,” מציין החוקר.
“לטכנולוגיה החדישה יש יכולת גדולה עבור מגוון נרחב של יישומים פוטוניים מאחר והמיתוג (דולק/כבוי) של הצבעים המוסטים המתקבלים הינו מהיר ומפשט בכך מאוד את מבניי הפיקסלים,” מסביר אחד מהחוקרים. “לכן, הטכנולוגיה החדישה מתאימה לצגים נרחבים ביותר, כגון אלו עבור סימנים פעילים (כמו בשלטי פרסומות צבעוניות ודינאמיות).”
בניסוייהם המעבדתיים, החוקרים החדירו לכל אחת ממיקרו-הכדוריות הפולימריות מערכים מסודרים מרחבית של ננו-מבני תחמוצת ברזל מגנטית, ובכך אפשרו למתג את הצבעים פשוט ע”י שינוי הכיווניות של מיקרו-הכדוריות – או יותר מדויק – הכיווניות של כל המערך. יתרה מכך, למערכת החדשה יש את היתרון של יצירת מצבי-צבע בי-יציבים הנדרשים בייצור צגים שניתן לכתוב עליהם שוב ושוב.
החוקר הראשי מסביר כי הצבע הנצפה של החומרים החדשים הינו “צבע מבני” מאחר והוא נוצר בשל השפעות הפרעה ולא ע”י אוסף חומרי-צבע. שינויי צבע שכאלו, הנראים גם בנוצותיהם הצבעוניות של ציפורים רבות, כנפי-פרפרים וגוף החיפושיות בטבע, נוצרים כאשר מיקרו-מבנים בחלקים אלו מוכוונים למערך סדור ומחזורי.
“שיטות קיימות ליצירת צבעים מבניים ברי-שינוי מתבססות על שינוי המחזוריות של המערך או מקדם השבירה של החומרים – שינויים שקשה להשיגם או איטיים במהותם,” אומר החוקר. “בשיטה שלנו, לעומת זאת, הצבע משתנה ע”י שינוי הכיווניות היחסית של מערכים מחזוריים במיקרו-כדוריות באמצעות השימוש בשדה מגנטי חיצוני. לשימוש בשדות מגנטיים כאות חיצוני יש את היתרון הנוסף של פעילות מיידית, בקרה נטולת-מגע והתאמה קלה להתקנים חשמליים הקיימים כבר היום בשוק.”
לשם קבלת המיקרו-כדוריות, החוקרים ערבבו תחילה חלקיקי תחמוצת ברזל מגנטיים בתוך שרף, שהינו נוזל תחילה אך הופך לאחר מכן למוצק בחשיפה לקרינה על-סגולה. בשלב הבא הם פיזרו את תמיסת השרף לתוך שמן (שמן מינראלי או סיליקוני) שגרם להפיכתו של השרף לטיפות כדוריות בתוך השמן. בשלב הבא, החוקרים הפעילו שדה מגנטי חיצוני לשם סידור חלקיקי תחמוצת הברזל לקבלת מבנים מסודרים ומחזוריים. למבנים אלו היו צבעים ברי-השתקפות אם מסתכלים עליהם מכיוון ההקרנה של השדה המגנטי. לבסוף, צוות המחקר חשף את המערכת הנוזלית לקרינה על-סגולה לשם פלמור טיפות השרף ולקבלתן כמיקרו-כדוריות מוצקות.
בשלב הבא של המחקר, הצוות מתכנן לחקור יישומים פרטניים של החומרים החדישים הללו. “יחידות תצוגה חסכוניות באנרגיה שניתן לכתוב עליהן ואז למחוק את המידע שוב ושוב, כמו בעיתונים אלקטרוניים או פוסטרים ושלטי-חוצות, הינן העניין העיקרי עבורנו,” מסביר החוקר. “בנוסף, אנו ננסה לפתח חומרים דומים עבור חיישנים כימיים וביולוגיים חדשניים.”
ממצאי המחקר מופיעים בגיליון הרשת של חודש יוני של כתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society.
