Вдохновленные изменяющей цвет кожей кальмаров и других головоногих моллюсков, исследователи разработали гибкий экран, способный хранить и отображать зашифрованные изображения без использования электроники — только крошечных магнитных частиц.
Ученые уже некоторое время экспериментируют с метаматериалами, материалами, разработанными так, чтобы иметь свойства, которые обычно не встречаются в природе, чтобы создавать такие разные вещи, как плащи-невидимки и проникающий в кости ультразвук. Механические метаматериалы, в частности, способны к программируемому поведению посредством взаимодействия между материалом и структурой, обеспечивая расширенную функциональность, которая выходит за рамки их механических свойств.
Потенциал использования механических метаматериалов в обработке информации и вычислениях — это то, что изучают исследователи. Однако их использование ограничено, поскольку они полагаются на механизмы, которые складываются, сгибаются и изгибаются, которые трудно миниатюризировать. Теперь инженеры из Мичиганского университета (U-M) разработали гибкий дисплейный экран, который использует магнитные поля вместо электроники для отображения изображений. И он был вдохновлен кожей кальмара.
«Это один из первых случаев, когда механические материалы используют магнитные поля для системного шифрования, обработки информации и вычислений», — сказал Йорг Лаханн, профессор химической инженерии в Мичиганском университете и соавтор исследования. Абдон Пена-Франчеш, доцент кафедры материаловедения и инженерии и другой соавтор, объясняет, как исследователи разработали экран, в видео ниже.
Экран с использованием магнитных пикселей хранит и отображает зашифрованные изображения без электроники
Но как кальмары влияют на это? У кальмаров и других головоногих моллюсков в верхнем слое кожи есть хроматофоры — органы, содержащие пигментные мешочки, которые быстро расширяются и сокращаются под контролем мышц. Коллективное приведение в действие хроматофоров позволяет кальмарам адаптировать цвет и рисунок кожи в соответствии со своими целями: маскировкой, хищничеством или спариванием. Именно сокращение и расширение хроматофоров вдохновило исследователей и помогло им определиться с разрешением экрана.
«Если вы сделаете бусины слишком маленькими, изменения цвета станут слишком маленькими, чтобы их можно было увидеть», — сказал Зейн Чжан, докторант в области материаловедения и инженерии и ведущий автор исследования. «Пигментные мешочки кальмаров оптимизировали размер и распределение, чтобы обеспечить высокую контрастность, поэтому мы адаптировали пиксели нашего устройства под их размер».
Пигментные мешочки из кожи кальмара, которые вдохновили исследователейДжереми Литтл/Michigan Engineering
«Пиксели» на самом деле представляют собой рой магнитоактивных частиц Януса (MAJP). Частицы Януса — это особые наночастицы, поверхности которых обладают двумя или более различными физическими свойствами. Здесь исследователи создали двухкамерные MAJP, состоящие из неодимовых (NdFeB) ферромагнитных микрочастиц и суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (SPION) в одном отсеке и пигмента оксида титана (TiO2) в другом.
Используя механизмы переключения MAJP, исследователи могли использовать магнитное поле для программирования роя частиц в несколько состояний. Например, они могли определить два состояния — «включено» и «выключено», определяемые ориентацией MAJP и цветом, который они совместно отображали: железный отсек вверху — оранжевый; титановый отсек вверху — белый. Таким образом, пиксельные MAJP переключаются между оранжевым и белым в зависимости от направления намагничивания — или поляризации — приложенного магнитного поля. Для MAJP, изготовленных с использованием магнитных частиц оксида железа, поляризацию можно было изменить с помощью относительно слабых магнитных полей. Однако поляризация MAJP, которые также включали частицы неодима, требовала сильного магнитного импульса.
Удерживание экрана над набором магнитов разной силы и ориентации выборочно изменило поляризацию в некоторых частях экрана, заставив некоторые пиксели перевернуться на белый, а другие — на оранжевый под действием того же магнитного поля. Изображение было закодировано таким образом.
Исследователи демонстрируют шифрование на магнитном экране
Поскольку наночастицы оксида железа можно перепрограммировать с помощью относительно слабых магнитных полей, частные изображения можно отображать с помощью второй магнитной сетки, которая выборочно переписывает, как некоторые части экрана переворачиваются. Когда частицы оксида железа возвращаются к стандартному магниту, они возвращаются к своей исходной поляризации, и отображается публичное изображение.
Одно публичное изображение может содержать несколько частных изображений, каждое из которых имеет уникальный ключ декодирования, который можно запрограммировать только для работы с определенными ключами кодирования, что добавляет дополнительный уровень безопасности.
«Это устройство можно запрограммировать на показ определенной информации только при предоставлении правильных ключей», — сказал Пена-Франчеш. «И нет никакого кода или электроники, которую можно взломать. Это также можно использовать для поверхностей, изменяющих цвет, например, на замаскированных роботах».
Магнитные пиксели: исследователи демонстрируют дисплей, который показывает изображения, используя только магнитные поля
Напоминает Etch-A-Sketch, механическую игрушку для рисования в красной рамке, которая существует с конца 1950-х годов: встряхивание экрана стирает изображение на дисплее. Повторное воздействие магнитного поля возвращает изображение.
Исследователи говорят, что экран предназначен для использования в случаях, когда свет и электроэнергия нецелесообразны или нежелательны, например, на одежде, наклейках, удостоверениях личности, штрихкодах и электронных книгах.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.
