Luchtvochtigheid verandert materiaal van kleur

Het lijkt een eenvoudig blauw oppervlak. Maar adem erop of voeg water toe en plots verschijnt een felkleurige bloem. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) ontwikkelden dit ‘schilderij’ dat van kleur verandert onder invloed van vocht. De ‘truc’ is dat licht een bepaalde kleur heeft als het weerkaatst op microscopische gelaagde structuren. Door het vocht zet het gelaagde materiaal uit en ontstaat een andere kleur. Toepassingen zijn talloos, variërend van verpakkingen, huizen, auto’s of van kleur veranderende decoraties, maar bijvoorbeeld ook echtheidskenmerken op bankbiljetten.

Het principe dat kleuren kunnen ontstaan door de breking van licht op onzichtbare microscopische structuren, naast pigmenten, kennen we uit de natuur. De Hercules-kever bijvoorbeeld, heeft een kakigroene kleur, maar in vochtige omstandigheden wordt het schild van de kever zwart. TU/e-onderzoekers Monali Moirangthem en Albert Schenning wilden deze techniek nabootsen.

Alle kleuren van de regenboog

Tot nu toe was het alleen gelukt om de basiskleur blauw te veranderen in groen. Dit dankzij een techniek die promovendus Moirangthem al ontwikkelde tijdens haar promotieonderzoek, waarbij ze een teststrip maakte die afwijkende calciumconcentraties in het bloed kan aantonen. Maar Moirangthem en Schenning weten nu álle kleuren van de regenboog te maken, door te experimenteren met de mate van uitzetting.

Calciumconcentratie

De wetenschappers begonnen hun onderzoek met een laag gestructureerd polymeer, waar met een inkjet-printer op specifieke plaatsen verschillende concentraties calcium werden aangebracht. In droge toestand reflecteert dit alleen blauw licht, maar na toevoeging van water zet het polymeer uit en ontstaan andere kleuren.

Op plaatsen waar geen calcium aanwezig is zet het polymeer maximaal uit, deze gebieden kaatsen het licht anders terug en krijgen daardoor een oranje kleur. Plaatsen met lage concentraties calcium zetten iets uit, waardoor een groene kleur verschijnt. Bij hoge concentraties calcium zet het polymeer helemaal niet meer uit, waardoor deze gebieden hun blauwe kleur behouden. Door de concentratie calciumnitraat aan te passen, konden Moirangthem en Schenning alle zichtbare kleuren creëren.

Het wetenschappelijke artikel met de titel Full Color Camouflage in a Printable Photonic Blue-Colored Polymer, is onlangs verschenen in ACS Applied Materials and Interfaces, is vindbaar via DOI: 10.1021/acsami.7b17892.