Displej inšpirovaný kalmármi zobrazí šifrované obrázky pomocou magnetov

Vedci sa už nejaký čas hrajú s metamateriálmi. To sú materiály, ktoré sú upravené tak, aby mali vlastnosti, ktoré sa v prírode bežne nevyskytujú. Najmä mechanické metamateriály sú schopné programovať svoje správanie prostredníctvom interakcie medzi materiálom a štruktúrou. To umožňuje pokročilú funkčnosť, ktorá presahuje ich mechanické vlastnosti.

Výskumníci skúmajú možnosti využitia mechanických metamateriálov pri spracovaní informácií a počítačoch. Ich použitie je však obmedzené, pretože sa spoliehajú na mechanizmy, ktoré sa skladajú, ohýbajú a vybočujú, a ktoré sa ťažko miniaturizujú. Inžinieri z Michiganskej univerzity teraz vyvinuli ohybný displej, ktorý na zobrazenie obrazu využíva magnetické polia namiesto elektroniky. Inšpirovali sa pritom kožou kalmárov.

„Je to jeden z prvých prípadov, keď mechanické materiály využívajú magnetické polia na šifrovanie, spracovanie informácií a výpočty na úrovni systému,“ povedal Joerg Lahann, profesor chemického inžinierstva na Michiganskej univerzite a spoluautor štúdie.

Ako do toho vstupuje kalmár? Kalmáre a iné hlavonožce majú vo vrchnej vrstve kože chromatofory, orgány, ktoré obsahujú pigmentové vaky, ktoré sa rýchlo rozťahujú a sťahujú pod kontrolou svalov. Spoločná aktivácia chromatoforov umožňuje kalmárom prispôsobiť farbu a vzor kože tak, aby vyhovovala jej účelu: maskovaniu, predácii alebo páreniu. Práve kontrakcia a expanzia chromatofórov výskumníkov inšpirovala a pomohla im rozhodnúť sa pre rozlíšenie obrazovky.

„Ak urobíte guľôčky príliš malé, zmeny farby sa stanú príliš malými na to, aby ste ich videli,“ povedal Zane Zhang, doktorand v oblasti materiálovej vedy a inžinierstva a hlavný autor štúdie. „Pigmentové vrecúška kalmárov majú optimalizovanú veľkosť a rozloženie tak, aby poskytovali vysoký kontrast, takže sme prispôsobili pixely nášho zariadenia tak, aby zodpovedali ich veľkosti.“

„Pixely“ sú v skutočnosti rojom magnetoaktívnych Janusových častíc (ďalej len ako MAJČ). Janusove častice sú špeciálne nanočastice, ktorých povrch má dve alebo viac odlišných fyzikálnych vlastností. V tomto prípade výskumníci vytvorili dvojkomorové MAJČ zložené z feromagnetických mikročastíc neodýmu (NdFeB) a superparamagnetických nanočastíc oxidu železa v jednej komore a pigmentu oxidu titaničitého (TiO2) v druhej.

Využitím prepínacích mechanizmov MAJČ mohli výskumníci pomocou magnetického poľa naprogramovať roj častíc do viacerých stavov. Mohli by napríklad definovať dva stavy - „zapnutý“ a „vypnutý“ - určené orientáciou MAJČ a farbou, ktorú spoločne zobrazujú: priehradka so železom hore je oranžová; priehradka s titánom hore je biela. Týmto spôsobom sa pixelové MAJČ preklopia medzi oranžovou a bielou farbou v závislosti od smeru magnetizácie, alebo polarizácie, aplikovaného magnetického poľa. V prípade MAJČ vyrobených z magnetických častíc oxidu železa sa polarizácia mohla meniť pri relatívne slabých magnetických poliach. Polarizácia MAJČ, ktoré obsahovali aj častice neodýmu, však vyžadovala silný magnetický impulz.

Podržaním obrazovky nad súborom magnetov s rôznou silou a orientáciou sa selektívne zmenila polarizácia v niektorých častiach obrazovky, takže niektoré pixely sa pod tým istým magnetickým poľom preklopili na bielu a iné na oranžovú farbu. Takto bol zakódovaný obraz.

Keďže nanočastice oxidu železa možno preprogramovať pomocou relatívne slabých magnetických polí, šifrované obrazy možno zobraziť pomocou druhej magnetickej mriežky, ktorá selektívne prepíše spôsob, akým sa niektoré časti obrazovky preklopia. Keď sa častice oxidu železa vrátia k štandardnému magnetu, vrátia sa k svojej pôvodnej polarizácii a zobrazí sa odšifrovaný obraz.

Jeden odšifrovaný obraz môže pritom obsahovať niekoľko zašifrovaných obrazov, každý s jedinečným dekódovacím kľúčom, ktorý možno naprogramovať len na prácu s konkrétnymi kódovacími kľúčmi, čo pridáva ďalšiu vrstvu zabezpečenia.

„Toto zariadenie sa dá naprogramovať tak, aby zobrazovalo špecifické informácie len po poskytnutí správnych kľúčov,“ povedal Pena-Francesch. „A nie je tu žiadny kód ani elektronika, ktorú by bolo možné hacknúť. Mohlo by sa to použiť aj na farebné zmeny povrchov, napríklad na maskovaných robotoch.“

Zatrasenie obrazovky, ktorá pripomína mechanickú kresliacu hračku v červenom rámčeku, ktorá je na trhu od konca 50. rokov minulého storočia, sa displej vymaže. Opätovné vystavenie magnetickému poľu spôsobí, že sa obraz vráti.

Výskumníci tvrdia, že obrazovka je určená na použitie v prípadoch, keď sú svetlo a energia nepraktické alebo nežiaduce, napríklad na oblečení, nálepkách, identifikačných štítkoch, čiarových kódoch a čítačkách elektronických kníh.

Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Advanced Materials.