Inspirándose en la piel que cambia de color de los calamares y otros cefalópodos, los investigadores han desarrollado una pantalla flexible capaz de almacenar y mostrar imágenes cifradas sin utilizar dispositivos electrónicos, solo pequeñas partículas magnéticas.
Desde hace un tiempo, los científicos han estado jugando con metamateriales, materiales diseñados para tener propiedades que normalmente no se encuentran en la naturaleza, para crear cosas tan dispares como capas de invisibilidad y ultrasonidos que penetran los huesos. Los metamateriales mecánicos, en particular, son capaces de tener un comportamiento programable a través de la interacción entre material y estructura, lo que permite una funcionalidad avanzada que se extiende más allá de sus propiedades mecánicas.
El potencial del uso de metamateriales mecánicos en el procesamiento de información y la informática es algo que los investigadores están explorando. Sin embargo, su uso está limitado porque dependen de mecanismos que se pliegan, doblan y pandean, que son difíciles de miniaturizar. Ahora, ingenieros de la Universidad de Michigan (UM) han desarrollado una pantalla flexible que utiliza campos magnéticos en lugar de dispositivos electrónicos para revelar imágenes. Y se inspiró en la piel de calamar.
“Es una de las primeras veces en que los materiales mecánicos utilizan campos magnéticos para el cifrado, el procesamiento de información y la computación a nivel de sistema”, dijo Joerg Lahann, profesor de ingeniería química en la UM y coautor correspondiente del estudio. Abdón Peña-Francesch, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y otro autor correspondiente, explica cómo los investigadores desarrollaron la pantalla en el siguiente vídeo.
Una pantalla que utiliza píxeles magnéticos almacena y muestra imágenes cifradas sin necesidad de dispositivos electrónicos
Pero, ¿cómo influye el calamar? Los calamares y otros cefalópodos tienen cromatóforos en la capa superior de la piel, órganos que contienen sacos de pigmento que se expanden y contraen rápidamente bajo el control de los músculos. La actuación colectiva de los cromatóforos permite al calamar adaptar el color y el patrón de su piel para adaptarse a su propósito: camuflaje, depredación o apareamiento. Fue la contracción y expansión de los cromatóforos lo que inspiró a los investigadores y les ayudó a decidir la resolución de la pantalla.
“Si las cuentas son demasiado pequeñas, los cambios de color se vuelven demasiado pequeños para verlos”, dijo Zane Zhang, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del estudio. “Los sacos de pigmento del calamar han optimizado el tamaño y la distribución para brindar un alto contraste, por lo que adaptamos los píxeles de nuestro dispositivo para que coincidan con su tamaño”.
Los sacos pigmentarios de la piel del calamar que inspiraron a los investigadores
Jeremy Little/Ingeniería de Michigan
Los ‘píxeles’ son, en realidad, un enjambre de partículas magnetoactivas de Janus (MAJP). Las partículas de Janus son nanopartículas especiales cuyas superficies tienen dos o más propiedades físicas distintas. Aquí, los investigadores crearon MAJP de dos compartimentos compuestos de micropartículas ferromagnéticas de neodimio (NdFeB) y nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro (SPION) en un compartimento y pigmento de óxido de titanio (TiO2) en el otro.
Aprovechando los mecanismos de conmutación del MAJP, los investigadores podrían utilizar un campo magnético para programar un enjambre de partículas en múltiples estados. Podrían, por ejemplo, definir dos estados – “encendido” y “apagado” – determinados por la orientación del MAJP y el color que muestran colectivamente: el compartimento de hierro arriba es naranja; El compartimento de titanio hacia arriba es blanco. De esta manera, los MAJP en forma de píxeles cambian entre naranja y blanco dependiendo de la dirección de magnetización (o polarización) del campo magnético aplicado. Para los MAJP fabricados con partículas magnéticas de óxido de hierro, la polarización podría cambiarse con campos magnéticos relativamente débiles. Sin embargo, la polarización de los MAJP, que también incluían partículas de neodimio, requirió un fuerte pulso magnético.
Sostener la pantalla sobre una colección de imanes de diferentes intensidades y orientaciones cambió selectivamente la polarización en algunas partes de la pantalla, haciendo que algunos píxeles cambiaran a blanco y otros a naranja bajo el mismo campo magnético. Una imagen fue codificada de esta manera.
Los investigadores demuestran el cifrado en una pantalla magnética
Debido a que las nanopartículas de óxido de hierro se pueden reprogramar utilizando campos magnéticos relativamente débiles, las imágenes privadas se pueden mostrar con una segunda rejilla magnética que reescribe selectivamente cómo se mueven algunas partes de la pantalla. Cuando las partículas de óxido de hierro regresan al imán estándar, vuelven a su polarización original y se muestra la imagen pública.
Una imagen pública puede contener varias imágenes privadas, cada una con una clave de decodificación única que se puede programar solo para funcionar con claves de codificación específicas, lo que agrega una capa adicional de seguridad.
“Este dispositivo se puede programar para mostrar información específica sólo cuando se proporcionan las claves correctas”, dijo Peña-Francesch. “Y no hay ningún código ni ningún dispositivo electrónico que pueda piratearse. Esto también podría usarse para superficies que cambian de color, por ejemplo, en robots camuflados”.
Píxeles magnéticos: los investigadores hacen una demostración de una pantalla que muestra imágenes utilizando únicamente campos magnéticos
Con reminiscencias de un Etch-A-Sketch, el juguete de dibujo mecánico con marco rojo que existe desde finales de la década de 1950, al agitar la pantalla se borra la visualización. Exponerlo nuevamente a un campo magnético hace que la imagen regrese.
Los investigadores dicen que la pantalla está diseñada para usarse cuando la luz y la energía no son prácticas o indeseables, como en ropa, pegatinas, tarjetas de identificación, códigos de barras y lectores de libros electrónicos.
El estudio fue publicado en la revista Advanced Materials.
Fuente: Ingeniería de Michigan
