Inspiriert von der Anpassungsfähigkeit von Oktopoden haben Forschende der Universitäten Paderborn und Stanford (USA) eine filmähnliche Dünnschichtplattform entwickelt, die sowohl Farbe als auch Oberflächenstruktur dynamisch verändern kann. Die Technologie könnte künftig in intelligenten Tarnsystemen, flexiblen Displays oder robotischen Systemen eingesetzt werden.
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Als Basis dient ein relativ weitverbreiteter polymerer Film, der den Verbundwerkstoff Polystyrolsulfonat enthält, der durch Feuchtigkeit anschwillt und dabei feinste, nanoskalige Strukturen bildet. Jun.-Prof. Dr. Nicholas Güsken vom Department Physik der Universität Paderborn erklärt: „Durch die Elektronenstrahl-Lithografie, wie sie in der Halbleiterfertigung verwendet wird, kann der Film präzise vorbehandelt werden, sodass bestimmte Bereiche unterschiedlich stark anschwellen. Dadurch entstehen kontrollierte Oberflächenmuster, die sich bei Feuchtigkeit zeigen und je nach Wassergehalt von glänzend bis matt wechseln.“
Die Oberflächenstruktur beeinflusst dabei die Lichtstreuung und erzeugt ein realistisches visuelles Erlebnis. Zusätzlich werden Farben durch sogenannte Fabry-Pérot-Resonatoren erzeugt, bei denen metallische Schichten auf dem Polymerfilm die Wellenlänge des reflektierten Lichts je nach Dicke des Films verändern. So kann ein einfarbiger Film bei Feuchtigkeitszufuhr in ein buntes, komplexes Muster übergehen. Die Strukturen sind reversibel: Durch Kontrolle des Wassergehalts in der Umgebung kehrt die Oberfläche entweder in ihren ursprünglich flachen Zustand zurück oder nimmt gezielt neue Muster an. So ist es möglich – ganz ähnlich wie beim Oktopus – die photonische Haut dynamisch an einen Hintergrund anzupassen.
„Wir sind noch weit davon entfernt, die volle Komplexität der Physiologie von Kopffüßern mit ihrer komplizierten Muskelsteuerung und Echtzeitanpassung zu verstehen. Diese Arbeit bringt uns einer ihrer wichtigsten Fähigkeiten aber einen Schritt näher, nämlich der realistischen Simulation von Farbe und Oberflächentextur“, erklärt Hauptautor Dr. Siddharth Doshi, ehemaliger Doktorand an der Stanford University und jetzt Postdoktorand am Caltech (California Institute of Technology).
Durch die Kombination mehrerer Schichten gelang es, Farbe und Textur unabhängig voneinander zu steuern, eine bisher einzigartige Fähigkeit. „Die aktive Kontrolle von Licht-Materie-Wechselwirkungen auf der Mikro- und Nanometerebene bietet weitreichende Möglichkeiten in der Grundlagenwissenschaft, aber auch für technologische Anwendungen“, erklärt Jun.-Prof. Güsken.
Zukünftige Entwicklungen zielen auf die Integration von künstlicher Intelligenz (KI) und deren Teilbereich Computer Vision ab, um die Anpassung an verschiedene Hintergründe automatisch und in Echtzeit zu steuern. Darüber hinaus wird die Materialtechnologie auch im künstlerischen Bereich erforscht.
Jun.-Prof. Güsken, der zuvor Teil der Arbeitsgruppe in Stanford war, baut seit mehreren Monaten seine eigene Forschungsgruppe an der Universität Paderborn auf. Bei dem von Dr. Doshi geleiteten Projekt war er an der Konzipierung und Herstellung der Dünnfilmschicht beteiligt.
