14:53 2023-05-31
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Materiale de proiectare de inginerie cu culori structurale inspirate de păsări folosind supraballe pe bază de nanoparticule
_ Materiale de proiectant ingineresc cu pasăre- culori structurale inspirate folosind supraballs pe bază de nanoparticule
Oamenii de știință din materiale sunt adesea bioinspirați, iar într-un nou studiu, inspirați de păsări de culorile structurale expuse de speciile aviare pentru a forma ansambluri de nanoparticule neiridescente. Astfel de amestecuri de nanoparticule care variază în chimia și dimensiunea particulelor pot afecta culoarea produsă pentru a identifica relațiile structură-culoare și pentru a crea materiale de designer cu culori adaptate.
Într-un nou raport despre Progresele științei, Christian M. Heil și o echipă de cercetare de la mai multe institute internaționale de cercetare multidisciplinare din SUA, Belgia și Germania, au arătat cum se reconstruiesc structurile asamblate prin măsurători de împrăștiere cu unghi mic.
Echipa de cercetare cu succes și a prezis cantitativ culorile observate experimental în amestecuri cu nanoparticule puternic absorbite pentru a demonstra influența unui singur strat de nanoparticule segregate și pentru a produce o culoare de interes. Abordările computaționale versatile integrate în această lucrare au fost utile pentru a proiecta materiale sintetice cu culorile dorite potrivite pentru vopsele, produse cosmetice și aplicații de colorare alimentară.
Fabricarea culorilor materialelor sintetice este inspirată de diverse game de culori din natură. . Ele pot apărea din organizarea spațială a materialelor nanostructurate care sunt rezistente la degradarea culorii. Materialele cu nanostructuri periodice consistente pot forma culori irizate, în timp ce cele cu ordine pe distanță scurtă produc culori non-iridescente.
Oamenii de știință din materiale pot imita culorile structurale naturale neiridescente prin auto-asamblarea nanoparticulelor polimerice prin ansambluri amorfe. de nanoparticule anorganice. Ele pot varia culorile ansamblurilor de nanoparticule prin reglarea structurii și proprietăților optice ale acestora pentru a oferi o diversitate structurală crescută. Oamenii de știință pot ajusta raportul mărimii nanoparticulelor dintre componente și compoziție, generând o multitudine de structuri și culori structurale diverse.
Heil și colab. au folosit împrăștierea cu unghi mic și microscopia electronică pentru a obține informații structurale despre materialele de proiectare. Ei au integrat în continuare împrăștierea neutronilor cu unghi mic și razele X pentru a oferi metode potrivite pentru a examina informațiile structurale la scară nanometrică și în vrac. Pentru modelarea optică a nano-ansamblurilor complexe, ei au folosit metoda domeniului de timp cu diferențe finite (FDTD).
Experimentele cu împrăștiere cu unghi mic au generat un profil de experiment de împrăștiere, pe care l-au interpretat cu calcul invers. analiză de inginerie pentru experimente de împrăștiere (CREASE) pentru a genera ansambluri de nanoparticule.
Cercetătorii au combinat metodele CREASE-FDTD pentru a înțelege ansamblurile de nanoparticule binare care formează suprasfere pentru a produce un spectru larg de culori. Rezultatele au caracterizat proprietățile optice ale ansamblurilor de nanoparticule și au arătat capacitatea de a proiecta culori la cerere pentru aplicații largi în vopsele, cosmetice și coloranți alimentari.
Oamenii de știință din materiale au examinat compoziția și morfologia de fază a amestecurilor binare. de specii absorbante și neabsorbante de dimensiuni similare pentru a oferi o metodă de reglare a predicției culorilor structurale pe care se bazează sensibilitatea relativă a culorii structurale. Această lucrare a produs o diversitate bogată de culori pentru a arăta necesitatea de a cunoaște compoziția relativă a două tipuri de nanoparticule într-un amestec binar, alături de segregarea fazelor lor și de gradul de amestecare.
Pentru a monitoriza acest proces, Heil și colab. . a folosit o abordare experimentală și computațională, care a furnizat informații despre morfologiile interne ale suprabilelor pentru a prezice fiecare spectre de reflectare și culoarea lor rezultată.
Echipa a efectuat experimente de împrăștiere a neutronilor cu unghi mic pentru trei amestecuri diferite de nanoparticule și a produs suspensii de supraballe la scară micronică. Ei au obținut informații morfologice din interiorul suprabilelor prin izolarea contribuției de împrăștiere a componentelor individuale în cadrul structurii pentru a colecta împrăștierea totală din nanoparticulele de interes.
Folosind analiza computațională de inginerie inversă pentru experimentele de împrăștiere, echipa au analizat rezultatele de împrăștiere din structurile multicomponente pentru a obține reconstrucția structurală 3D și simulări optice ale produselor.
Rezultatele analizei structurale bazate pe analiza computațională de inginerie inversă pentru experimente de împrăștiere (CREASE), au furnizat coordonatele tuturor nanoparticule din supraballs. Aceste informații au fost utile pentru a calcula împrăștierea luminii prin utilizarea metodei domeniului de diferență finită în timp (FDTD).
Metoda combinată CREASE-FDTD a reprezentat o potrivire structurală strânsă cu sistemele experimentale cu comparații de modelare optică. Pe baza acordului remarcabil dintre aceste două metode combinate, echipa a modelat proprietățile optice care stau la baza unui amestec binar complex de nanoparticule pentru a înțelege impactul dispersității dimensiunii și al segregării suprafeței asupra culorii structurale.
În acest fel, Christian M. Heil și colegii au combinat două metode cheie; analiza computațională de inginerie inversă pentru experimentul de împrăștiere (CREASE) și metoda domeniului de diferență finită în timp (FDTD) pentru a oferi o nouă platformă pentru modelarea culorilor structurale ale supra-ansamblurilor bazate pe nanoparticule. Culorile structurale inspirate de păsări au format ansambluri de nanoparticule non-iridescente, în timp ce cele cu ordine pe distanță scurtă produc culori non-iridescente.
Echipa a folosit două metode primare pentru a determina rezultatele în funcție de dimensiune, dispersitate. , morfologia de fază și proprietățile optice puternic absorbante ale nanoparticulelor. Această metodă combinată a produs structuri 3D reconstruite ale ansamblurilor de nanoparticule cu profiluri de împrăștiere care se potriveau aproape cu cele obținute prin măsurători de împrăștiere a neutronilor cu unghi mic. Metoda combinată este potrivită pentru modelarea la scară multiplă pentru a studia proprietățile optice ale ansamblurilor mult mai mari de supraballe, cum ar fi filmele împachetate și dispersiile de pigment.
Această metodă poate proiecta culori programabile pentru aplicații practice în acoperiri, vopsele și cosmetice pentru a ajuta cercetătorii de materiale să înțeleagă și să proiecteze mai bine materiale complexe pentru aplicații în spectrele electromagnetice, prevăzând în același timp proprietățile materialelor, cum ar fi proprietățile termice, electrice și mecanice, care depind de diferitele compoziții structurale ale materialelor proiectate.
© 2023 Science X Network
Comentarii:
Adauga Comentariu