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受乌贼皮启发的屏幕只用磁铁就能显示加密图像
发布日期:2024-09-19 14:39:05  稿源:cnBeta.COM

受鱿鱼和其他头足类动物变色皮肤的启发,研究人员开发出一种柔性屏幕,无需使用电子设备,只需微小的磁性颗粒就能存储和显示加密图像。

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一段时间以来,科学家们一直在研究超材料,通过设计使材料具有自然界中通常找不到的特性,从而创造出隐形斗篷和透骨超声波等不同的东西。尤其是机械超材料,它能够通过材料与结构之间的相互作用实现可编程行为,从而实现超越其机械特性的高级功能。

研究人员正在探索在信息处理和计算中使用机械超材料的潜力。然而,它们的使用受到限制,因为它们依赖于折叠、弯曲和扣合的机制,很难小型化。现在,密歇根大学(U-M)的工程师们开发出了一种柔性显示屏,它利用磁场而不是电子设备来显示图像。它的灵感来自乌贼的皮肤。

"这是机械材料首次利用磁场进行系统级加密、信息处理和计算,"该研究的共同通讯作者、麻省理工大学化学工程教授约尔格-拉汉恩(Joerg Lahann)说。另一位通讯作者、材料科学与工程助理教授 Abdon Pena-Francesch 在下面的视频中解释了研究人员是如何开发这种屏幕的。

但鱿鱼是如何参与其中的呢?鱿鱼和其他头足类动物的表皮层都有嗜铬细胞,这些器官包含色素囊,在肌肉的控制下迅速膨胀和收缩。嗜铬细胞的集体作用使鱿鱼能够调整其皮肤颜色和图案,以适应其目的:伪装、捕食或交配。研究人员正是从嗜铬细胞的收缩和扩张中得到启发,并帮助他们确定了屏幕的分辨率。

"如果把珠子做得太小,颜色的变化就会变得太小而无法看到,"材料科学与工程专业博士生、本研究的第一作者张赞恩说。"乌贼的色素囊具有优化的尺寸和分布,可以提供高对比度,因此我们调整了设备的像素,使其与色素囊的尺寸相匹配。"

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给研究人员带来灵感的乌贼皮色素囊 杰里米-利特尔/密歇根工程

这些"像素"实际上是一群磁活性 Janus 粒子(MAJP)。杰纳斯粒子是一种特殊的纳米粒子,其表面具有两种或两种以上不同的物理特性。在这里,研究人员创造了双室 MAJPs,一室由钕铁硼(NdFeB)铁磁性微颗粒和超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)组成,另一室由氧化钛(TiO2)颜料组成。

利用 MAJP 的开关机制,研究人员可以利用磁场将粒子群编程为多种状态。例如,他们可以定义两种状态--"开"和"关"--由MAJP的方向和它们共同显示的颜色决定:铁室向上为橙色;钛室向上为白色。这样,像素状的 MAJP 就会根据外加磁场的磁化方向(或极化方向)在橙色和白色之间翻转。对于用氧化铁磁性粒子制成的 MAJPs,极化可以在相对较弱的磁场中改变。然而,包含钕粒子的 MAJPs 的极化则需要强磁脉冲。

将屏幕放在一组不同强度和方向的磁铁上,可以选择性地改变屏幕某些部分的极化,在相同的磁场下,一些像素会变成白色,而另一些像素则会变成橙色。图像就是这样被编码的。

由于氧化铁纳米粒子可以利用相对较弱的磁场进行重新编程,因此可以通过第二个磁栅显示私人图像,有选择性地改写屏幕某些部分的翻转方式。当氧化铁粒子回到标准磁体时,它们会恢复到原来的极化状态,并显示公共图像。

一个公共图像可以包含多个私人图像,每个私人图像都有一个独特的解码密钥,通过编程,解码密钥只能与特定的编码密钥一起工作,从而增加了额外的安全性。

Pena-Francesch 说:"这种设备可以编程,只有在提供正确的按键时才会显示特定信息。而且没有代码或电子设备需要黑客破解。这也可用于变色表面,例如伪装机器人。"

它让人联想起 Etch-A-Sketch(一种从20 世纪 50 年代末就开始流行的红框机械绘画玩具),晃动屏幕可以擦除显示内容。再次将其置于磁场中,图像就会恢复。

研究人员说,这种屏幕是为在光和电源不实用或不可取的情况下使用而设计的,例如在衣服、贴纸、ID 徽章、条形码和电子书阅读器上。

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这项研究发表在《先进材料》杂志上。

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