Не каждый человек знает, что любуясь на переливающиеся всеми цветами крылья бабочек, он наблюдает удивительный природный эффект: окраска в большинстве случаев не обусловлена наличием пигментов – это оптическое свойство наноструктурной поверхности крыльев. «Многоцветность» одного и того же материала наблюдается и в фотонных кристаллах.

Этот принцип был взят британскими и канадскими учеными за основу для разработки новых фотонных кристаллов для дисплеев. Разработанный ими материал способен непрерывно менять цвет от ультрафиолета до ближней инфракрасной области, включая весь видимый диапазон.

В своей работе в журнале Angewandte Chemie (Electroactive Inverse Opal: A Single Material for All Colors) ученые предложили применение полученного материала в полноцветных отражающих дисплеях – например, для создания электронных книг.

Разработка фотонных кристаллов для полноцветных дисплеев представляет собой сложную техническую задачу. Это должен быть материал, который меняет свои оптические свойства в зависимости от внешних условий, например, приложенного к нему напряжения; при этом изменение цвета должно быть непрерывным (отображать все цвета), очень быстрым, обратимым, а материал должен производиться в больших количествах и быть недорогим.

Группе ученых под руководством Джеффри Озина (Geoffrey A. Ozin) из Университета Торонто и Яна Мэннерса (Ian Manners) из Бристольского Университета удалось создать такой материал. Это гелевый полимер с обращенной структурой природного классического фотонного кристалла опала.

Опал – известный переливающийся различными цветами ювелирный минерал, который построен из силикатных наносфер и определенным образом рассеивающий попадающий на него свет.

Ученые получили структуру обращенного опала, тонким слоем расположив силикатные сферы на подложке и заполнив не занятые сферами положения проводящим полимером, который образовал сетчатую структуру. Далее с помощью травления силикат был удален, и в итоге был получен высоко пористый полимер с упорядоченным подобно кристаллической решетке сетчатым строением.

В положениях, соответствующих силикатным сферам, в полученном материале расположены пустоты; пустоты далее были заполнены раствором электролита.

При приложении напряжения к этому материалу электроны выходят из полимера. Поэтому для достижения электрической нейтральности анионы из электролита диффундируют в полимерный гель, вызывая его набухание. При уменьшении напряжения происходит обратный процесс: электроны возвращаются в полимер, а анионы – в электролит – полимерный материал сжимается.

Большая внутренняя поверхность контакта электролита и полимера делает описанный процесс очень быстрым. Изменения параметров решетки при ее набухании и сжатии отражаются на оптических свойствах материала.

Зависимость этих изменений от приложенного напряжения не ступенчатая, а непрерывная, что обеспечивает получение любого цвета в широком диапазоне отражаемых материалом длин волн. Например, при напряжении в 2В гель выглядит красным, при 1.6В – зеленым.