Международная группа учёных из Университета Вестлейк (Китай), СПбГУ и МФТИ создала инновационный полимерный фотонный кристалл с эффектом памяти формы: его насыщенный структурный цвет «стирается» при соприкосновении с водой и мгновенно восстанавливается при обработке спиртом, ацетоном или даже простым нажатием. Подробнее об открытии — Materials Today Nano.
Большая часть оттенков в окружающем мире возникает благодаря пигментам — молекулам, избирательно поглощающим свет. Однако существует более элегантный способ: структурная окраска. Подобно перламутру бабочек Morpho или игре цвета в опалах, здесь не химия, а наноструктурированная архитектура материала взаимодействует с определёнными длинами волн. Такие системы, называемые фотонными кристаллами, представляют собой упорядоченные решётки диэлектрических элементов, действующие как «полупроводники» для света. В последние годы активно развиваются динамические фотонные кристаллы, способные менять оптические свойства под внешним воздействием.
Одновременно прогрессировали полимеры с эффектом памяти формы: они «запоминают» исходную геометрию, а после деформации возвращаются к ней при активации теплом. Долгое время учёные стремились объединить эти две технологии, чтобы управлять цветом через изменение формы на наноуровне. Такая «цветовая память» пригодится для создания перезаписываемых меток, QR-кодов и сенсоров. Ранее реализовать её можно было лишь при высоких температурах или значительных механических нагрузках, что ограничивало применение.
Для решения этой задачи команда применила технологию инверсных опалов. Сначала из кремнеземных наносфер формировали идеальную кристаллическую решётку-шаблон. Затем поры заливают жидким мономерным «коктейлем» из этоксиэтоксиэтилакрилата (EOEOEA) и полиэтиленгликольдиакрилата (PEGDA). После полимеризации УФ-светом образуется прочный эластичный сополимер, а кремнеземный шаблон растворяют, оставляя точный негатив — пористую структуру фотонного кристалла. Главное — низкая температура стеклования сополимера (около –43 °C) обеспечивает ему высокую гибкость при комнатной температуре.
Именно эта эластичность определила уникальное поведение материала. При нанесении капли воды её высокое поверхностное натяжение создаёт капиллярное давление, «сминающее» нанопоры. Хаотичная структура исчезает, и насыщенный цвет полностью «стёрт». Этот процесс можно считать «холодным» программированием состояния.
Восстановление колорита происходит при обработке жидкостями с низким поверхностным натяжением (этанол, ацетон): капиллярные силы недостаточны для удержания сжатой структуры, внутреннее упругое стремление полимера «расправляет» поры, и яркий цвет возвращается. Аналогично это достигается лёгким механическим давлением, позволяя «печать» сложные узоры прямо на плёнке.
«Мы реализовали изящный баланс наномасштабных сил: капиллярное давление при испарении воды «схлопывает» структуру и стирает цвет, а растворители с низким натяжением или внешнее давление позволяют полимеру «расслабиться» и вернуть первоначальный порядок пор», — отметила Стелла Кавокина, заместитель директора Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ.
Материал демонстрирует десятки циклов «стирания» и восстановления без деградации. Записанные узоры сохраняются месяцы, но мгновенно «смываются» водой. Это открывает возможности для перезаписываемых поверхностей, оптических меток и сенсоров на основе изменения цвета при целевых химических воздействиях.
Практические применения включают биометрическую идентификацию, защиту документов и банкнот, детекторы веществ (этанол, ацетон), перезаписываемые дисплеи и оптические носители информации. В будущем планируется оптимизировать полимер для ускорения реакции и селективности к различным стимулам, а также интегрировать материал в реальные электронные и оптические устройства.
Исходная статья: Matin Ashurov, Maksym Stetsenko, Alexey Kavokin, Stella Kavokina, «Polymer photonic crystals for shape memory applications», Materials Today Nano, том xxx, 2025, статья № 100650, ISSN 2588-8420, https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2025.100650.
