Від метелика до смартфонів

Чи замислювалися ви коли-небудь, чому так переливаються всіма кольорами веселки крильця метеликів? Або хвости павичів? Або перламутрові раковини? Ні, хімічні речовини, пігменти, тут ні при чому. Звісно, якщо якийсь пігмент в крильці поглинає, скажімо, червоний і жовтий колір, але не зелений, то ви побачите відбитий зелений. Але переливатися таке крильце не буде.
Переливчатостью, або радужностью (по-англійськи iridescent, від імені грецької богині веселки Ірис), комахи, раковини, павичі і всі інші зобов’язані «структурної забарвленням». Простіше кажучи, цю позахмарність їм надають якісь мікроструктури. Ось найпростіший приклад: райдужний перелив жирового плями на поверхні води. Він обумовлений тим, що світлові хвилі відбиваються до нас в око двічі – спочатку від шару жиру, потім від води під ним. По дорозі до нас в око ці відбиті хвилі складаються і, в залежності від пройденого кожною хвилею відстані, гасять або посилюють один одного. Результат такої інтерференції, як її називають у науці, залежить від різниці відстаней, тобто від товщини жирового шару, тому в різних його місцях ми бачимо різний колір. Виявляється, те ж саме має місце і у метеликів.
Спеціальні дослідження показали, що в їхніх крильцях знаходяться багато тисяч пакетиків з 2-3 шарів мікроскопічних лусочок кожен. Лусочки у кожному пакетику розділені шарами повітря. Коли світло проходить через пакетики, він відбивається від кожної шару лусочок. В результаті кожне місце крила здається забарвленим в той чи інший колір. А оскільки при будь-якому, самому невеликому повороті крила всі ці відстані змінюються, то і колірної результат виходить різним і виникає райдужне мерехтіння. Аналогічні чи іншого роду структури є скрізь, де є позахмарність, – включаючи пір’я павича, луску сома або шкіру змії боа.
Однак, яке відношення має це до смартфону? А ось яке. Хорошийсмартфон, як відомо, забезпечений сенсорним екраном (touchscreen): торкнешся його – прилад робить те, що ви йому вказали. Дуже зручне нововведення, куди краще, ніж натискати кнопки. Але – не без вад. По-перше, від частих дотиків такі екрани зношуються. А по-друге, згадаймо чудову фразу Єжи Леца: «Все в руках людини. Тому руки у нього повинні бути чистими». А адже ми часом і за свої руки не можемо поручитися, що вже говорити про чужих. Ось ви приходите в поліклініку, хочете взяти талончик на чергу, суєті свою картку в автомат, і його сенсорний екран ласкаво запрошує вас натиснути пальцем на потрібне вам місце. Адже той же екран в тому ж місці вже натискали до вас інші. В поліклініці! Куди ходять люди, хворі бог знає чому!
Коротше кажучи, група німецьких учених під керівництвом Беттіни Лотш з Інституту Макса Планка вирішила знайти спосіб замінити сенсорний екран, до якого потрібно торкатися, таким сенсорним екраном, на якому торкатися не потрібно. На перший погляд, це здається протиріччям у визначенні, але на другий виявляється, що це, в принципі, можливо. На допомогу вченим прийшла наша неприємна звичка потіти. Внаслідок потіння наші пальці (та і все інше) завжди покриті шаром вологи. Що, якщо покрити екран шаром чого-небудь такого, що реагує на цю вологу і притому дистанційно, тобто без дотику? Будучи хіміками, вчені з Інституту Планка після довгих пошуків зуміли знайти речовину з заданими властивостями – ним виявилася фосфоантимониева кислота, з’єднання фосфору, сурми, кисню і водню. Кристали цієї речовини здатні вбирати в себе випаровуються з пальця молекули води і при цьому злегка розбухати, а головне – міняти свої електричні та оптичні властивості(в залежності від кількості поглинених молекул). А потім, маючи на руках потрібну речовину, вчені пішли по шляху метеликів і павичів – створили з цих кристаликів елементи структурної забарвлення. Вони виготовили багатошаровий матеріал, в якому, як у сендвічі, чергувалися ультратонкі шари фосфоантимония з такими ж шарами двоокису кремнію. У кожному такому сендвічі було по 10 шарів, і весь він мав товщину близько одного мікрона(мільйонної частки метра).
Подальше зрозуміло. Інтерференція світлових хвиль, відбитих від такого сендвіча, створює той чи інший колір — залежно від його товщини. А вона залежить від числа поглинених фосфоантимонием молекул вологи, що випаровується з людського пальця. А це число тим більше, чим ближче даний пальця до екрану. І що ж ми бачимо (точніше, що побачили німецькі хіміки)? Що по мірі наближення пальця до екрану на ньому з’являється пляма, яке змінює свій колір залежно від відстані між пальцем і екраном і слід за пальцем при його русі. І все це без дотику до екрану.
Додатковим бонусом виявилася швидкість: пляма з’являється через лічені мілісекунди – буквально «миттю». Відкриємо секрет: такі експерименти проводилися і раніше, з іншими матеріалами, але тоді колірне пляма з’являлося лише через кілька секунд після піднесення пальця, що для сенсорного екрану, звичайно, все одно, що вічність.
Ось вам метелик і смартфон. З одним застереженням – шлях до нього ще не пройдено. Є заковика. Екран «смартфона на сендвічах» потрібно ще захистити від механічного та хімічного впливу, але захистити так, щоб ця захисна плівка пропускала вологу з пальця. А над цим потрібно ще працювати, кажуть автори.
Ви розчаровані? Я теж. Але, напевно, менше, ніж ви, тому що у мене немає смартфона.