ES2950877A1 - COMPOSITE MATERIAL WITH ADJUSTABLE OPTICAL PROPERTIES AND MANUFACTURING METHOD (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
MATERIAL COMPUESTO CON PROPIEDADES ÓPTICAS REGULABLES Y MÉTODO DECOMPOSITE MATERIAL WITH ADJUSTABLE OPTICAL PROPERTIES AND METHOD OF
FABRICACIÓNMANUFACTURING
OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION
La presente invención pertenece al campo técnico de los materiales que alteran la radiación electromagnética incidente. Más en particular, la presente invención está dirigida a un material compuesto cuyas propiedades ópticas varían en función del grado de deformación del material, así como a un método de fabricación de dicho material.The present invention belongs to the technical field of materials that alter incident electromagnetic radiation. More particularly, the present invention is directed to a composite material whose optical properties vary depending on the degree of deformation of the material, as well as to a method of manufacturing said material.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
La manipulación de la intensidad de la radiación electromagnética incidente resulta muy útil en una amplia variedad de aplicaciones de detección, filtrado y emisión ópticas y térmicas. Además, el control térmico en dispositivos portátiles y componentes electrónicos es una cuestión crucial para su óptimo funcionamiento.Manipulating the intensity of incident electromagnetic radiation is very useful in a wide variety of optical and thermal detection, filtering and emission applications. Furthermore, thermal control in portable devices and electronic components is a crucial issue for their optimal functioning.
En la industria se han desarrollado diferentes dispositivos electrocrómicos en los que las propiedades ópticas se controlan mediante la aplicación de una señal eléctrica, que requieren una sintonización espectral muy precisa y el desarrollo de compuestos con nanoestructuras complejas para lograr funcionalidad y estabilidad.In the industry, different electrochromic devices have been developed in which the optical properties are controlled by the application of an electrical signal, which require very precise spectral tuning and the development of compounds with complex nanostructures to achieve functionality and stability.
Otros desarrollos de materiales permiten modular espacialmente la emisividad de una superficie a través del dopaje con portadores fotogenerados, pero requieren el uso de luz ultravioleta para su activación, temperaturas de trabajo elevadas para un contraste adecuado y presentan, además, tiempos de recuperación prolongados.Other material developments allow the emissivity of a surface to be spatially modulated through doping with photogenerated carriers, but require the use of ultraviolet light for activation, high working temperatures for adequate contrast, and also have long recovery times.
Para diferentes procesos de camuflaje térmico, los desarrollos de la industria en general consisten en la modificación de la firma infrarroja de objetos manipulando el flujo de calor en los alrededores, pero precisan de gradientes de temperatura significativos y exigen la inmersión completa del objeto, lo que restringe su implementación.For different thermal camouflage processes, industry developments generally consist of modifying the infrared signature of objects by manipulating the heat flow in the surroundings, but require significant temperature gradients and require complete immersion of the object, which restricts its implementation.
Finalmente, otros ejemplos de soluciones técnicas implementadas en la industria para alterar las propiedades ópticas de un dispositivo, así como su firma térmica, utilizan fluidos inyectados a presión, los cuales requieren de un flujo continuo de diferentes fluidos específicos y tienen tiempos de respuesta lentos dependientes de la velocidad de inyección y de las conductividades térmicas de los fluidos.Finally, other examples of technical solutions implemented in the industry to alter the optical properties of a device, as well as its thermal signature, use fluids. injected under pressure, which require a continuous flow of different specific fluids and have slow response times dependent on the injection speed and the thermal conductivities of the fluids.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención propone un método de fabricación de un material compuesto con al menos una propiedad óptica regulable según la reivindicación 1, un material compuesto con al menos una propiedad óptica regulable según la reivindicación 23, y un dispositivo sensor según la reivindicación 39. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invención.The present invention proposes a method of manufacturing a composite material with at least one adjustable optical property according to claim 1, a composite material with at least one adjustable optical property according to claim 23, and a sensor device according to claim 39. In the Dependent claims define preferred embodiments of the invention.
En un primer aspecto inventivo se define un método de fabricación de un material compuesto, con al menos una propiedad óptica regulable, que comprende las siguientes etapas:In a first inventive aspect, a method of manufacturing a composite material is defined, with at least one adjustable optical property, which comprises the following steps:
a) proporcionar un sustrato deformable elásticamente;a) providing an elastically deformable substrate;
b) proporcionar un patrón sobre al menos una porción del sustrato;b) providing a pattern on at least a portion of the substrate;
c) proporcionar, al menos sobre el patrón, una capa activa en un rango del espectro electromagnético que comprende al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico.c) providing, at least on the pattern, an active layer in a range of the electromagnetic spectrum that comprises at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum.
En cuanto a la nomenclatura utilizada, a lo largo del texto se hace referencia a al menos una propiedad óptica del material compuesto, modificable por medio de una deformación elástica a la que se somete dicho material compuesto. En una realización, dicha propiedad óptica es la emisividad, la reflectancia, la absorbancia y/o la transmitancia. Para un material compuesto, puede ser regulable una única propiedad óptica o más de una propiedad óptica.Regarding the nomenclature used, throughout the text reference is made to at least one optical property of the composite material, modifiable by means of an elastic deformation to which said composite material is subjected. In one embodiment, said optical property is emissivity, reflectance, absorbance and/or transmittance. For a composite material, a single optical property or more than one optical property may be tunable.
La emisividad es la proporción de radiación térmica emitida por una superficie u objeto debido a las propiedades de su superficie, composición material y temperatura, respecto a un radiador ideal o radiador de cuerpo negro. En particular, se entenderá como la medida de la capacidad del material compuesto de la invención de emitir radiación infrarroja.Emissivity is the proportion of thermal radiation emitted by a surface or object due to the properties of its surface, material composition and temperature, with respect to an ideal radiator or blackbody radiator. In particular, it will be understood as the measure of the ability of the composite material of the invention to emit infrared radiation.
La absorbancia se entenderá como la medida de la atenuación de la radiación al atravesar una sustancia. Absorbance will be understood as the measure of the attenuation of radiation when passing through a substance.
La reflectancia, a su vez, se entenderá como la medida de la capacidad de un material de reflejar la radiación electromagnética incidente, y también dependerá de las propiedades de la superficie, la temperatura y la composición material.Reflectance, in turn, will be understood as the measure of the ability of a material to reflect incident electromagnetic radiation, and will also depend on the properties of the surface, temperature and material composition.
Finalmente, la transmitancia se entenderá como la medida de la capacidad de un material de transmitir, es decir, de ser permeable a la radiación electromagnética incidente. En general, dependerá del tipo y grosor del material.Finally, transmittance will be understood as the measure of the ability of a material to transmit, that is, to be permeable to incident electromagnetic radiation. In general, it will depend on the type and thickness of the material.
En cuanto al término ‘infrarrojo térmico’ se entenderá como la región del espectro electromagnético comprendida en el rango de longitudes de onda que va desde 3 ^m hasta 15 ^m.Regarding the term 'thermal infrared', it will be understood as the region of the electromagnetic spectrum included in the wavelength range from 3 ^m to 15 ^m.
En cuanto a la propiedad del sustrato ‘deformable elásticamente’, se entenderá como la capacidad de dicho sustrato para recuperar sus dimensiones originales, una vez que cesa una fuerza mecánica aplicada que provoca la deformación de dicho sustrato.Regarding the property of the 'elastically deformable' substrate, it will be understood as the ability of said substrate to recover its original dimensions, once an applied mechanical force that causes the deformation of said substrate ceases.
En una realización, el sustrato está compuesto por un elastómero.In one embodiment, the substrate is composed of an elastomer.
Finalmente, por ‘capa activa’ se entenderá una capa compuesta por al menos un material que varía su comportamiento, y más en particular, su comportamiento óptico al interactuar con la radiación electromagnética, en función de las condiciones o estímulos bajo los que se encuentre. Según la invención, dicha capa es activa en una región del espectro electromagnético que comprende al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico. Sin embargo, la capa puede ser activa en una región más amplia del espectro electromagnético.Finally, 'active layer' will be understood as a layer composed of at least one material that varies its behavior, and more particularly, its optical behavior when interacting with electromagnetic radiation, depending on the conditions or stimuli under which it is found. According to the invention, said layer is active in a region of the electromagnetic spectrum that comprises at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum. However, the layer may be active in a broader region of the electromagnetic spectrum.
En vista de lo anterior, el método de la invención, proporcionando un sustrato deformable elásticamente, proporcionando un patrón sobre al menos una porción del sustrato, y proporcionando sobre el patrón una capa activa en un rango del espectro electromagnético que comprende al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico, permite obtener un material compuesto elástico que muestra un cambio en al menos una propiedad óptica al ser deformado mecánicamente.In view of the foregoing, the method of the invention, providing an elastically deformable substrate, providing a pattern on at least a portion of the substrate, and providing on the pattern an active layer in a range of the electromagnetic spectrum comprising at least part of the spectrum visible and/or the thermal infrared spectrum, allows obtaining an elastic composite material that shows a change in at least one optical property when mechanically deformed.
En varias realizaciones, la capa activa se puede configurar para proporcionar una respuesta óptica activa para longitudes de onda determinadas, para intervalos específicos y/o para todo el espectro visible y/o el espectro infrarrojo. In various embodiments, the active layer can be configured to provide an active optical response for particular wavelengths, for specific ranges, and/or for the entire visible spectrum and/or the infrared spectrum.
En particular, ante la aplicación de una tensión mecánica que produzca la extensión/elongación o compresión/acortamiento del material compuesto producido mediante el método de la invención, debido a la consiguiente alteración de las características y/o geometría del patrón y de la capa activa dispuesta sobre él, la transmitancia, reflectancia, emisividad y/o absorbancia de dicho material compuesto son alteradas.In particular, when applying a mechanical stress that produces extension/elongation or compression/shortening of the composite material produced by the method of the invention, due to the consequent alteration of the characteristics and/or geometry of the pattern and the active layer. arranged on it, the transmittance, reflectance, emissivity and/or absorbance of said composite material are altered.
Ventajosamente, el método de fabricación propuesto por la invención es una técnica sencilla, que no comprende un elevado número de etapas ni de gran complejidad para la fabricación de materiales compuestos con funcionalidad al menos en el espectro infrarrojo térmico y/o el espectro visible.Advantageously, the manufacturing method proposed by the invention is a simple technique, which does not comprise a high number of steps or great complexity for the manufacture of composite materials with functionality at least in the thermal infrared spectrum and/or the visible spectrum.
La sencillez del método se traduce también en una gran flexibilidad para producir materiales compuestos de diferentes tamaños con propiedades ópticas, y más concretamente, con emisividad, transmisión, absorción y/o reflexión regulables en regiones específicas del espectro electromagnético, como por ejemplo membranas elásticas de grandes dimensiones para ventanas inteligentes; así como en la posibilidad de emplear diferentes materiales en su producción, adecuados para diferentes aplicaciones.The simplicity of the method also translates into great flexibility to produce composite materials of different sizes with optical properties, and more specifically, with adjustable emissivity, transmission, absorption and/or reflection in specific regions of the electromagnetic spectrum, such as elastic membranes of large dimensions for smart windows; as well as the possibility of using different materials in its production, suitable for different applications.
Así, los materiales compuestos producidos mediante el método de fabricación de la invención pueden ser usados en diversas aplicaciones. Esto se debe a la versatilidad que les confiere el poder ser actuados mecánicamente para alterar sus propiedades ópticas, sin la necesidad de proveer ningún tipo de alimentación eléctrica externa, únicamente mediante la aplicación de una tensión mecánica. Posibles aplicaciones del material compuesto producido por el método de fabricación de la invención son las siguientes:Thus, the composite materials produced by the manufacturing method of the invention can be used in various applications. This is due to the versatility conferred on them by being able to be mechanically actuated to alter their optical properties, without the need to provide any type of external electrical power, solely through the application of mechanical tension. Possible applications of the composite material produced by the manufacturing method of the invention are the following:
- Control y/o monitorización de tensión mecánica y detección de deformación mecánica, que puede emplearse para desarrollar sensores ópticos de deformación. Por ejemplo, se podría ver a simple vista la deformación o las tensiones en un puente o en el ala de un avión. - Control térmico activo de dispositivos electrónicos, mediante la implementación de elementos para regular la disipación de calor en transistores o circuitos electrónicos.- Control and/or monitoring of mechanical stress and detection of mechanical deformation, which can be used to develop optical deformation sensors. For example, the deformation or stresses in a bridge or the wing of an airplane could be seen with the naked eye. - Active thermal control of electronic devices, through the implementation of elements to regulate heat dissipation in transistors or electronic circuits.
- Camuflaje visible e/o infrarrojo dinámico, tal como dispositivos que puedan controlar la "firma térmica” de vehículos militares, o cambiar su color con fines de ocultación.- Visible and/or dynamic infrared camouflage, such as devices that can control the "thermal signature" of military vehicles, or change their color for concealment purposes.
- Control activo de la emisividad, que puede emplearse para desarrollar sistemas que permitan regular la emisión de calor, con posible aplicación en satélites o sistemas de captación de energía solar, por ejemplo.- Active control of emissivity, which can be used to develop systems that regulate heat emission, with possible application in satellites or solar energy collection systems, for example.
- Control activo del flujo de calor radiante. - Active control of radiant heat flow.
- Termorregulación activa, que puede emplearse para desarrollar sistemas que permitan regular la emisión o absorción de calor, con posible aplicación en satélites o sistemas de captación de energía solar, por ejemplo.- Active thermoregulation, which can be used to develop systems that regulate the emission or absorption of heat, with possible application in satellites or solar energy collection systems, for example.
- Apantallamiento térmico dinámico.- Dynamic thermal shielding.
- Filtro óptico visible y/o infrarrojo dinámico.- Visible optical and/or dynamic infrared filter.
- Ventanas inteligentes mecanocrómicas.- Mechanochromic smart windows.
En una realización, la etapa b) de proporcionar el patrón sobre al menos una porción del sustrato se realiza mediante microlitografía, nanolitografía, texturizado mediante tratamiento láser y/o litografía de impresión.In one embodiment, step b) of providing the pattern on at least a portion of the substrate is performed by microlithography, nanolithography, texturing by laser treatment and/or printing lithography.
Se entenderá por ‘microlitografía’ y ‘nanolitografía’ procesos que comprenden transferir un determinado patrón a un sustrato. En el caso de la fotolitografía, el patrón se trasfiere mediante luz desde una máscara (o “fotomáscara”) o retícula. Otros ejemplos de procesos de microlitografía o nanolitografía incluyen, entre otros: la litografía por haz de electrones, que utiliza un haz de electrones orientable, y la nanoimpresión, proceso que permite producir características a nanoescala. Otras opciones para transferir un patrón en un sustrato son el texturizado mediante tratamiento láser y la litografía de impresión. Mediante cualquiera de estos procesos se pueden transferir patrones con una geometría previamente definida de tamaño micro o nanométrico.'Microlithography' and 'nanolithography' will be understood as processes that involve transferring a certain pattern to a substrate. In the case of photolithography, the pattern is transferred using light from a mask (or “photomask”) or grating. Other examples of microlithography or nanolithography processes include, but are not limited to: electron beam lithography, which uses a steerable electron beam, and nanoprinting, a process that produces nanoscale features. Other options for transferring a pattern onto a substrate include laser texturing and print lithography. Using any of these processes, patterns with a previously defined geometry of micro or nanometric size can be transferred.
En una realización, el sustrato deformable elásticamente es transparente, al menos parcialmente, en un rango del espectro electromagnético que comprende al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico.In one embodiment, the elastically deformable substrate is transparent, at least partially, in a range of the electromagnetic spectrum that comprises at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum.
Se entenderá que el término ‘parcialmente transparente’, hace referencia a que sólo una parte del espectro electromagnético es capaz de atravesar un material. El ‘grado de transparencia’ hace referencia a la facilidad con la que esa parte del espectro electromagnético atraviesa dicho material, considerándose transparente si la radiación lo atraviesa fácilmente sin sufrir distorsión, y traslúcido si la radiación atraviesa dicho material siendo distorsionada. Así, el sustrato proporcionado de acuerdo a una realización de la invención podrá presentar un comportamiento traslúcido dentro de un rango del espectro electromagnético que abarca al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico.It will be understood that the term 'partially transparent' refers to the fact that only part of the electromagnetic spectrum is capable of passing through a material. The 'degree of transparency' refers to the ease with which that part of the electromagnetic spectrum passes through said material, being considered transparent if the radiation passes through it easily without suffering distortion, and translucent if the radiation passes through said material being distorted. Thus, the substrate provided according to an embodiment of the invention may present translucent behavior within a range of the electromagnetic spectrum that covers at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum.
En una realización, el método comprende, tras la etapa c), aplicar una tensión compresiva o extensiva a lo largo de al menos una dirección, de tal manera que el sustrato sufre una elongación o un acortamiento, respectivamente, a lo largo de la dirección de aplicación de la tensión.In one embodiment, the method comprises, after step c), applying a compressive or extensional stress along at least one direction, such that the substrate undergoes a elongation or shortening, respectively, along the direction of stress application.
Ventajosamente, el comportamiento y propiedades ópticas del material compuesto en su conjunto pueden ser controlados mecánicamente, sin la necesidad de proveer ningún tipo de alimentación eléctrica externa. En particular, la transmisión, emisividad, absorción y/o reflexión de luz visible e infrarroja pueden ser controladas mediante la extensión o la compresión elásticas del material compuesto debido a la alteración de las características de la capa activa, es decir, de su distribución y geometría sobre el patrón.Advantageously, the behavior and optical properties of the composite material as a whole can be controlled mechanically, without the need to provide any type of external electrical power. In particular, the transmission, emissivity, absorption and/or reflection of visible and infrared light can be controlled by elastic extension or compression of the composite material due to the alteration of the characteristics of the active layer, that is, its distribution and geometry on the pattern.
En una realización, la tensión aplicada se selecciona para producir una variación predeterminada de al menos una propiedad óptica del material compuesto en base a una relación entre la tensión aplicada y la variación de dicha propiedad óptica.In one embodiment, the applied stress is selected to produce a predetermined variation of at least one optical property of the composite material based on a relationship between the applied stress and the variation of said optical property.
En una realización, la relación entre la tensión aplicada y la variación de dicha propiedad óptica se determina mediante un proceso de calibración que comprende:In one embodiment, the relationship between the applied voltage and the variation of said optical property is determined through a calibration process that comprises:
- determinar un valor de referencia de dicha propiedad óptica para el material compuesto en ausencia de tensión;- determine a reference value of said optical property for the composite material in the absence of tension;
- determinar la variación de dicha propiedad óptica respecto a dicho valor de referencia en función de la tensión aplicada; y- determine the variation of said optical property with respect to said reference value as a function of the applied voltage; and
- establecer la relación entre la tensión aplicada y la variación de dicha propiedad óptica.- establish the relationship between the applied voltage and the variation of said optical property.
Se entenderá que las etapas de calibración previa dan lugar a relaciones entre los valores de una propiedad óptica de un material compuesto, y más concretamente, entre la emisividad, reflexión, absorción y/o transmisión, y la tensión mecánica aplicada (o de manera equivalente el grado de deformación elástica (elongación o acortamiento) de dicho material compuesto resultado de la aplicación de dicha tensión mecánica (extensiva o compresiva)).It will be understood that the previous calibration steps give rise to relationships between the values of an optical property of a composite material, and more specifically, between the emissivity, reflection, absorption and/or transmission, and the applied mechanical stress (or equivalently the degree of elastic deformation (elongation or shortening) of said composite material resulting from the application of said mechanical stress (extensional or compressive)).
Dicha calibración se traduce en la obtención de una relación entre la tensión aplicada/grado de deformación y la variación de la propiedad óptica que, a posteriori, permite seleccionar la tensión mecánica/deformación elástica necesaria para obtener un valor deseado de una propiedad óptica. Esta relación puede estar expresada mediante una ecuación o sistema de ecuaciones matemáticas, mediante una o varias gráficas y/o mediante una tabla de resultados experimentales que relacionan dichas variables. Así, una vez determinada dicha relación para un material compuesto con unas características dadas, es posible usar la relación para el mismo tipo de material compuesto sin necesidad de realizar de nuevo el proceso de calibración.Said calibration results in obtaining a relationship between the applied stress/degree of deformation and the variation of the optical property which, subsequently, allows selecting the mechanical stress/elastic deformation necessary to obtain a desired value of an optical property. This relationship can be expressed through an equation or system of mathematical equations, through one or several graphs and/or through a table of experimental results that relate said variables. Thus, once said relationship has been determined for a composite material with given characteristics, it is possible to use the relationship for the same type of composite material without having to carry out the calibration process again.
En una realización, el método comprende proporcionar un soporte rígido extensible y/o comprimible a lo largo de al menos una dirección; acoplar el material compuesto al soporte rígido extensible y/o comprimible; y fijar, por medio del soporte rígido extensible y/o comprimible, al menos una dimensión del material compuesto tras haber aplicado la tensión.In one embodiment, the method comprises providing a rigid support extensible and/or compressible along at least one direction; coupling the composite material to the extensible and/or compressible rigid support; and fixing, by means of the extensible and/or compressible rigid support, at least one dimension of the composite material after having applied the tension.
En una realización, en la etapa c) el espesor de la capa activa se selecciona para obtener un valor predeterminado de una propiedad óptica del material compuesto, en base a una relación entre dicha propiedad óptica y el espesor de la capa activa.In one embodiment, in step c) the thickness of the active layer is selected to obtain a predetermined value of an optical property of the composite material, based on a relationship between said optical property and the thickness of the active layer.
En una realización, el sustrato es una membrana que comprende al menos un polímero o composición polimérica, por ejemplo estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS).In one embodiment, the substrate is a membrane comprising at least one polymer or polymeric composition, for example styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS).
El SEBS es un copolímero de bloques de base de estireno y elastómero de butadieno, en el que la fase elastomérica es modificada por hidrogenación. Gracias a la ausencia del doble enlace, tienen una excelente resistencia a la oxidación y se puede agregar con plastificantes y carga. Combina las ventajas típicas de las gomas y de los materiales plásticos. Es particularmente resistente a la acción de los rayos UV y a la intemperie, por lo que resulta especialmente útil para aplicaciones de exteriores que requieren una alta resistencia a agentes oxidantes.SEBS is a block copolymer based on styrene and butadiene elastomer, in which the elastomeric phase is modified by hydrogenation. Thanks to the absence of the double bond, they have excellent resistance to oxidation and can be added with plasticizers and fillers. It combines the typical advantages of rubber and plastic materials. It is particularly resistant to the action of UV rays and weathering, making it especially useful for outdoor applications that require high resistance to oxidizing agents.
En una realización, al menos una parte del sustrato tiene un coeficiente de Poisson negativo, de tal manera que: ante la aplicación de una tensión extensiva el sustrato adquiere una elongación a lo largo de una dirección perpendicular a la dirección de aplicación de la tensión, y ante la aplicación de una tensión compresiva, el sustrato adquiere un acortamiento a lo largo de una dirección perpendicular a la dirección de aplicación de la tensión.In one embodiment, at least a portion of the substrate has a negative Poisson's ratio, such that: upon application of an extensional stress the substrate acquires an elongation along a direction perpendicular to the direction of application of the stress, and upon application of a compressive stress, the substrate acquires a shortening along a direction perpendicular to the direction of application of the stress.
Las estructuras auxéticas (también denominadas augéticas) se caracterizan por tener coeficientes de Poisson negativos, de modo que se deforman en un mismo sentido (de estiramiento o de contracción a lo largo y transversalmente a la dirección de una fuerza aplicada. Es decir, bajo una fuerza aplicada longitudinalmente que tiende a contraer (o extender) el material, se contraen (respectivamente, se extienden) en una dirección transversal. Auxetic structures (also called augetic) are characterized by having negative Poisson's ratios, so that they deform in the same direction (stretching or contraction along and transversely to the direction of an applied force. That is, under a longitudinally applied force that tends to contract (or extend) the material, contract (respectively, extend) in a transverse direction.
Según una realización de la invención, al menos una parte del sustrato elásticamente deformable es auxético con un coeficiente de Poisson negativo, es decir, esta parte del sustrato tiene una estructura auxética o está fabricada con un material auxético permitiendo así un comportamiento auxético. Por ejemplo, la aplicación de una fuerza de tracción unidireccional en una de las direcciones contenidas en la superficie del sustrato da como resultado un aumento de tamaño en esa dirección y también un aumento de tamaño en la dirección perpendicular contenida en la superficie. Por otro lado, la aplicación de una fuerza de compresión unidireccional en una de las direcciones contenidas en la superficie da como resultado una disminución de tamaño en esa dirección y también una disminución de tamaño en la dirección perpendicular contenida en la superficie. En ambos casos la porción auxética recupera su forma original cuando cesa la aplicación de fuerza.According to one embodiment of the invention, at least a part of the elastically deformable substrate is auxetic with a negative Poisson's ratio, that is, this part of the substrate has an auxetic structure or is made of an auxetic material thus allowing auxetic behavior. For example, applying a unidirectional tensile force in one of the directions contained in the surface of the substrate results in an increase in size in that direction and also an increase in size in the perpendicular direction contained in the surface. On the other hand, the application of a unidirectional compressive force in one of the directions contained in the surface results in a decrease in size in that direction and also a decrease in size in the perpendicular direction contained in the surface. In both cases the auxetic portion recovers its original shape when the application of force ceases.
La relación de Poisson para materiales auxéticos puede alcanzar hasta -1 o valores próximos. En ese caso, la reducción o el aumento de tamaño en la dirección transversal es de la misma magnitud que en la dirección en la que se aplica la carga.The Poisson's ratio for auxetic materials can reach up to -1 or close values. In that case, the reduction or increase in size in the transverse direction is of the same magnitude as in the direction in which the load is applied.
En una realización, el espesor del sustrato está comprendido en el intervalo de 100 nm a 2 mm.In one embodiment, the thickness of the substrate is in the range of 100 nm to 2 mm.
En una realización, el patrón proporcionado en la etapa b) es un texturizado micrométrico y/o nanométrico.In one embodiment, the pattern provided in step b) is micrometric and/or nanometric texturing.
En una realización, el patrón está configurado para proporcionar una respuesta óptica activa al menos en parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico.In one embodiment, the pattern is configured to provide an active optical response in at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum.
Se entenderá que una respuesta óptica activa consiste en la variación de alguna de las propiedades ópticas, tales como la emisividad, la reflectancia, la absorbancia y/o la transmitancia, en respuesta a un estímulo externo, tal como una deformación mecánica experimentada bajo la aplicación, por ejemplo, de una tensión mecánica.It will be understood that an active optical response consists of the variation of some of the optical properties, such as emissivity, reflectance, absorbance and/or transmittance, in response to an external stimulus, such as a mechanical deformation experienced under the application , for example, from mechanical stress.
En varias realizaciones, el patrón se puede configurar para proporcionar una respuesta óptica activa para longitudes de onda determinadas, para intervalos específicos y/o para todo el espectro visible y/o el espectro infrarrojo.In various embodiments, the pattern can be configured to provide an active optical response for particular wavelengths, for specific intervals, and/or for the entire visible spectrum and/or the infrared spectrum.
En una realización, el patrón es un patrón 1D (unidimensional) o 2D (bidimensional). In one embodiment, the pattern is a 1D (one-dimensional) or 2D (two-dimensional) pattern.
En una realización, el patrón es un patrón 1D que comprende una pluralidad de líneas paralelas o una pluralidad de estructuras columnares. En una realización, el patrón es un patrón 2D, tal como un patrón cuadrado, una retícula y/o una distribución periódica de agujeros. Sin embargo, los patrones pueden tener cualquier forma que produzca una respuesta óptica al menos en parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico. Dependiendo de la periodicidad en el patrón (preferentemente, entre 100 nanómetros y 10 micras), se obtendrá una respuesta definida en el visible y/o en el infrarrojo térmico.In one embodiment, the pattern is a 1D pattern comprising a plurality of parallel lines or a plurality of columnar structures. In one embodiment, the pattern is a 2D pattern, such as a square pattern, a grid, and/or a periodic distribution of holes. However, the patterns can have any shape that produces an optical response at least in part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum. Depending on the periodicity in the pattern (preferably, between 100 nanometers and 10 microns), a defined response will be obtained in the visible and/or thermal infrared.
En una realización, el tamaño del patrón está comprendido en el intervalo de 100 nm a 50 |jm.In one embodiment, the size of the pattern is in the range of 100 nm to 50 μm.
Se entenderá que el tamaño del patrón hace referencia al orden de magnitud de la distancia típica de la geometría o motivo que se proporciona sobre el substrato. Por ejemplo, en una realización en el que el patrón es un patrón 2D que comprende una retícula y/o una distribución periódica de agujeros red, dicha distancia correspondería al espaciado entre los elementos de dicho patrón, es decir, la distancia entra bandas de la retícula y/o entre los agujeros.The size of the pattern will be understood to refer to the order of magnitude of the typical distance of the geometry or motif provided on the substrate. For example, in an embodiment in which the pattern is a 2D pattern that comprises a lattice and/or a periodic distribution of lattice holes, said distance would correspond to the spacing between the elements of said pattern, that is, the distance between bands of the grid and/or between the holes.
En una realización, la capa activa proporcionada en la etapa c) comprende una lámina, micropartículas, nanopartículas, microestructuras y/o nanoestructuras.In one embodiment, the active layer provided in step c) comprises a sheet, microparticles, nanoparticles, microstructures and/or nanostructures.
En una realización, la capa activa comprende una pluralidad de nanopartículas y/o micropartículas distribuidas aleatoriamente o de acuerdo a una ordenación 1D o 2D. Las nanopartículas y/o micropartículas pueden tener cualquier geometría. De manera preferida, el material de las nanopartículas y/o micropartículas es un metal o un semiconductor dopado.In one embodiment, the active layer comprises a plurality of nanoparticles and/or microparticles distributed randomly or according to a 1D or 2D arrangement. The nanoparticles and/or microparticles can have any geometry. Preferably, the material of the nanoparticles and/or microparticles is a metal or a doped semiconductor.
En una realización, la capa activa está compuesta por al menos uno de entre los siguientes materiales: un metal, un semiconductor o un material reflectante. En una realización, la capa activa está compuesta por un metal noble.In one embodiment, the active layer is composed of at least one of the following materials: a metal, a semiconductor, or a reflective material. In one embodiment, the active layer is composed of a noble metal.
En una realización, la capa activa proporcionada en la etapa c) comprende al menos una capa de oro. En virtud de las diferentes configuraciones que se plantean para proporcionar la capa activa en la etapa c), se entenderá que dicha capa de oro puede implementarse, a modo de ejemplo, como una lámina metálica, o como una película que comprenda micropartículas o nanopartículas de oro, entre otras opciones.In one embodiment, the active layer provided in step c) comprises at least one gold layer. By virtue of the different configurations proposed to provide the active layer in step c), it will be understood that said gold layer can be implemented, by way of example, as a metal sheet, or as a film comprising microparticles or nanoparticles of gold, among other options.
En una realización particular, la capa activa se proporciona mediante pulverización catódica. In a particular embodiment, the active layer is provided by sputtering.
En una realización preferida, el proceso de pulverización catódica se realiza con magnetrón de corriente continua (CC).In a preferred embodiment, the sputtering process is performed with a direct current (DC) magnetron.
La pulverización catódica es un proceso en el que se produce la vaporización de los átomos de un material objetivo, o "blanco", mediante el bombardeo de iones, los cuales se emplean para proporcionar recubrimientos en forma de películas sobre un sustrato. Sin embargo, el proceso de deposición por pulverización catódica genera partículas de muy baja energía, lo que resulta en una baja tasa de deposición de átomos de material objetivo sobre el sustrato, en forma de película o recubrimiento.Sputtering is a process in which the atoms of a target material, or "target", are vaporized by bombarding ions, which are used to provide coatings in the form of films on a substrate. However, the sputter deposition process generates very low energy particles, resulting in a low deposition rate of target material atoms on the substrate, in the form of a film or coating.
Ventajosamente, los magnetrones utilizan fuertes campos eléctricos y magnéticos para confinar las partículas de plasma cargadas cerca de la superficie del objetivo de la pulverización catódica. En un campo magnético, los electrones siguen trayectorias helicoidales alrededor de las líneas del campo magnético, sufriendo más colisiones ionizantes cerca de la superficie del objetivo lo que mejora la tasa de deposición de átomos de material objetivo sobre el sustrato.Advantageously, magnetrons use strong electric and magnetic fields to confine charged plasma particles near the surface of the sputtering target. In a magnetic field, electrons follow helical trajectories around the magnetic field lines, undergoing more ionizing collisions near the target surface which enhances the deposition rate of target material atoms on the substrate.
En una realización, la capa activa proporcionada en la etapa c) comprende al menos una capa de aluminio. En virtud de las diferentes configuraciones que se plantean para proporcionar la capa activa en la etapa c), se entenderá que dicha capa de aluminio puede implementarse, a modo de ejemplo, como una lámina metálica, o como una película que comprenda micropartículas o nanopartículas de aluminio, entre otras opciones.In one embodiment, the active layer provided in step c) comprises at least one aluminum layer. By virtue of the different configurations proposed to provide the active layer in step c), it will be understood that said aluminum layer can be implemented, for example, as a metal sheet, or as a film comprising microparticles or nanoparticles of aluminum, among other options.
En una realización particular, las partículas metálicas se proporcionan por evaporación mediante cañón de electrones. En particular, la capa activa se proporciona mediante el calentamiento producido por el bombardeo de un haz de electrones de alta energía sobre el material a depositar. Dicho haz de electrones se genera mediante un cañón de electrones, el cual utiliza la emisión termoiónica de electrones producida por un filamento incandescente (cátodo). Los electrones emitidos, en forma de corriente eléctrica, son acelerados hacia un ánodo mediante una diferencia de potencial elevada. El ánodo, por ejemplo, puede ser la propia fuente de evaporación de material activo. Gracias al potencial de concentración o focalización de los electrones es posible obtener un calentamiento muy localizado sobre el material activo que se desea evaporar, y con una elevada densidad de potencia de evaporación, lo cual permite controlar con precisión la tasa o velocidad de evaporación, desde valores bajos hasta muy altos y, sobre todo, la posibilidad de depositar metales de alto punto de fusión. In a particular embodiment, the metal particles are provided by evaporation using an electron gun. In particular, the active layer is provided by heating produced by the bombardment of a high-energy electron beam on the material to be deposited. Said electron beam is generated by an electron gun, which uses the thermionic emission of electrons produced by an incandescent filament (cathode). The emitted electrons, in the form of an electric current, are accelerated towards an anode through a high potential difference. The anode, for example, can be the source of active material evaporation itself. Thanks to the concentration or focusing potential of electrons, it is possible to obtain very localized heating on the active material that is to be evaporated, and with a high evaporation power density, which allows precise control of the rate or speed of evaporation, from low to very high values and, above all, the possibility of depositing metals with high melting points.
En una realización, el espesor de la capa activa está comprendido en el intervalo de 100 nm a 2 mm.In one embodiment, the thickness of the active layer is in the range of 100 nm to 2 mm.
En un segundo aspecto inventivo se define un material compuesto con al menos una propiedad óptica regulable que comprende:In a second inventive aspect, a composite material with at least one adjustable optical property is defined, comprising:
- un sustrato deformable elásticamente;- an elastically deformable substrate;
- un patrón dispuesto sobre al menos una porción del sustrato; y- a pattern arranged on at least a portion of the substrate; and
- una capa activa en un rango del espectro electromagnético que comprende al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico dispuesta sobre el patrón.- an active layer in a range of the electromagnetic spectrum that comprises at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum arranged on the pattern.
El material compuesto según el segundo aspecto inventivo, combinando un sustrato elástico con una capa activa dispuesta sobre un patrón, permite, mediante la deformación elástica del mismo, aplicando una tensión compresiva o extensiva, controlar de forma dinámica las propiedades de transmisión, emisividad, absorción y/o reflexión de, al menos, la radiación infrarroja térmica y/o visible.The composite material according to the second inventive aspect, combining an elastic substrate with an active layer arranged on a pattern, allows, through the elastic deformation thereof, applying a compressive or extensive tension, to dynamically control the properties of transmission, emissivity, absorption and/or reflection of, at least, thermal and/or visible infrared radiation.
Gracias a esta capacidad de variar y controlar determinadas propiedades ópticas, de manera reversible, mediante la aplicación de una tensión mecánica, el material compuesto de la invención puede ser usado en diversas aplicaciones:Thanks to this ability to vary and control certain optical properties, reversibly, through the application of mechanical tension, the composite material of the invention can be used in various applications:
- Control y/o monitorización de tensión mecánica y detección de deformación mecánica, que puede emplearse para desarrollar sensores ópticos de deformación. Por ejemplo, se podría ver a simple vista la deformación o las tensiones en un puente o en el ala de un avión. - Control térmico activo de dispositivos electrónicos, mediante la implementación de elementos para regular la disipación de calor en transistores o circuitos electrónicos.- Control and/or monitoring of mechanical stress and detection of mechanical deformation, which can be used to develop optical deformation sensors. For example, the deformation or stresses in a bridge or the wing of an airplane could be seen with the naked eye. - Active thermal control of electronic devices, through the implementation of elements to regulate heat dissipation in transistors or electronic circuits.
- Camuflaje visible e/o infrarrojo dinámico, tal como dispositivos que puedan controlar la "firma térmica” de vehículos militares, o cambiar su color con fines de ocultación.- Visible and/or dynamic infrared camouflage, such as devices that can control the "thermal signature" of military vehicles, or change their color for concealment purposes.
- Control activo de la emisividad, que puede emplearse para desarrollar sistemas que permitan regular la emisión de calor, con posible aplicación en satélites o sistemas de captación de energía solar, por ejemplo.- Active control of emissivity, which can be used to develop systems that regulate heat emission, with possible application in satellites or solar energy collection systems, for example.
- Control activo del flujo de calor radiante.- Active control of radiant heat flow.
- Termorregulación activa, que puede emplearse para desarrollar sistemas que permitan regular la emisión o absorción de calor, con posible aplicación en satélites o sistemas de captación de energía solar, por ejemplo.- Active thermoregulation, which can be used to develop systems that regulate the emission or absorption of heat, with possible application in satellites or solar energy collection systems, for example.
- Apantallamiento térmico dinámico.- Dynamic thermal shielding.
- Filtro óptico visible y/o infrarrojo dinámico.- Visible optical and/or dynamic infrared filter.
- Ventanas inteligentes mecanocrómicas. - Mechanochromic smart windows.
En una realización, el sustrato deformable elásticamente es transparente, al menos parcialmente, en un rango del espectro electromagnético que comprende al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico.In one embodiment, the elastically deformable substrate is transparent, at least partially, in a range of the electromagnetic spectrum that comprises at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum.
En una realización, el sustrato es una membrana que comprende al menos una composición polimérica, preferiblemente estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS).In one embodiment, the substrate is a membrane comprising at least one polymeric composition, preferably styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS).
En una realización, al menos una parte del sustrato comprende un coeficiente de Poisson negativo, de tal manera que: ante la aplicación de una tensión extensiva el sustrato adquiere una elongación a lo largo de una dirección perpendicular a la dirección de aplicación de la tensión, y ante la aplicación de una tensión compresiva, el sustrato adquiere un acortamiento a lo largo de una dirección perpendicular a la dirección de aplicación de la tensión.In one embodiment, at least a portion of the substrate comprises a negative Poisson's ratio, such that: upon application of an extensional stress the substrate acquires an elongation along a direction perpendicular to the direction of application of the stress, and upon application of a compressive stress, the substrate acquires a shortening along a direction perpendicular to the direction of application of the stress.
En una realización, el espesor del sustrato está comprendido en el intervalo de 100 nm a 2 mm.In one embodiment, the thickness of the substrate is in the range of 100 nm to 2 mm.
En una realización, el patrón es un texturizado micrométrico y/o nanométrico.In one embodiment, the pattern is micrometer and/or nanometer texturing.
En una realización, el patrón está configurado para proporcionar una respuesta óptica activa al menos en parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico.In one embodiment, the pattern is configured to provide an active optical response in at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum.
En una realización, el patrón es un patrón 1D (unidimensional) o 2D (bidimensional).In one embodiment, the pattern is a 1D (one-dimensional) or 2D (two-dimensional) pattern.
En una realización, el patrón es un patrón 1D que comprende una pluralidad de líneas paralelas o una pluralidad de estructuras columnares. En una realización, el patrón es un patrón 2D, tal como un patrón cuadrado, una retícula y/o una distribución periódica de agujeros. Sin embargo, los patrones pueden tener cualquier forma que produzca una respuesta óptica al menos en parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico. Dependiendo de la periodicidad en el patrón (preferentemente, entre 100 nanómetros y 10 micras), se obtendrá una respuesta definida en el visible y/o en el infrarrojo térmico.In one embodiment, the pattern is a 1D pattern comprising a plurality of parallel lines or a plurality of columnar structures. In one embodiment, the pattern is a 2D pattern, such as a square pattern, a grid, and/or a periodic distribution of holes. However, the patterns can have any shape that produces an optical response at least in part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum. Depending on the periodicity in the pattern (preferably, between 100 nanometers and 10 microns), a defined response will be obtained in the visible and/or thermal infrared.
En una realización, el tamaño del patrón está comprendido en el intervalo de 100 nm a 50 |jm.In one embodiment, the size of the pattern is in the range of 100 nm to 50 μm.
En una realización, la capa activa comprende una lámina, micropartículas, nanopartículas, microestructuras y/o nanoestructuras. In one embodiment, the active layer comprises a sheet, microparticles, nanoparticles, microstructures and/or nanostructures.
En una realización, la capa activa comprende una pluralidad de nanopartículas y/o micropartículas distribuidas aleatoriamente o de acuerdo a una ordenación 1D o 2D. Las nanopartículas y/o micropartículas pueden tener cualquier geometría. De manera preferida, el material de las nanopartículas y/o micropartículas es un metal o un semiconductor dopado.In one embodiment, the active layer comprises a plurality of nanoparticles and/or microparticles distributed randomly or according to a 1D or 2D arrangement. The nanoparticles and/or microparticles can have any geometry. Preferably, the material of the nanoparticles and/or microparticles is a metal or a doped semiconductor.
En una realización, la capa activa está compuesta por al menos uno de entre los siguientes materiales: un metal (por ejemplo un metal noble), un semiconductor o un material reflectante.In one embodiment, the active layer is composed of at least one of the following materials: a metal (e.g., a noble metal), a semiconductor, or a reflective material.
En una realización, la capa activa comprende al menos una capa de oro o de aluminio.In one embodiment, the active layer comprises at least one layer of gold or aluminum.
En una realización, el espesor de la capa activa está comprendido en el intervalo de 100 nm a 2 mm.In one embodiment, the thickness of the active layer is in the range of 100 nm to 2 mm.
En una realización, el material compuesto del segundo aspecto inventivo está fabricado mediante un método según una realización del primer aspecto inventivo.In one embodiment, the composite material of the second inventive aspect is manufactured by a method according to an embodiment of the first inventive aspect.
En un tercer aspecto inventivo, se define un dispositivo sensor flexible que comprende un material compuesto según el segundo aspecto inventivo.In a third inventive aspect, a flexible sensor device comprising a composite material according to the second inventive aspect is defined.
En una realización, el dispositivo sensor flexible comprende un soporte rígido extensible y/o comprimible a lo largo de al menos una dirección, en donde el material compuesto está acoplado al soporte rígido extensible y/o comprimible.In one embodiment, the flexible sensing device comprises a rigid extensible and/or compressible support along at least one direction, wherein the composite material is coupled to the rigid extensible and/or compressible support.
Todas las características y/o las etapas de métodos descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, descripción y dibujos) pueden combinarse en cualquier combinación, exceptuando las combinaciones de tales características mutuamente excluyentes.All features and/or method steps described herein (including the claims, description and drawings) may be combined in any combination, except for mutually exclusive combinations of such features.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.These and other characteristics and advantages of the invention will become more clearly evident from the following detailed description of a preferred embodiment, given solely by way of illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying figures. .
Figura 1 En esta figura se muestra un gráfico donde se representa la variación de la reflexión óptica en función de la tensión mecánica aplicada en un material según una realización de la invención, que utiliza una película que comprende nanopartículas de oro como capa activa.Figure 1 This figure shows a graph that represents the variation of optical reflection as a function of the mechanical stress applied to a material. according to an embodiment of the invention, which uses a film comprising gold nanoparticles as an active layer.
Figura 2 En esta figura se muestra un gráfico donde se representa la variación de la reflexión óptica en función de la tensión mecánica aplicada, cuando se utiliza como capa activa una película que comprende nanopartículas de oro de mayor espesor que la utilizada en el ejemplo de la Figura 1.Figure 2 This figure shows a graph representing the variation of the optical reflection as a function of the applied mechanical stress, when a film comprising gold nanoparticles of greater thickness than that used in the example of the Figure 1.
Figura 3 En esta figura se muestra un gráfico donde se representa la variación de la transmisión óptica con la tensión mecánica aplicada en un material según una realización de la invención, que utiliza una película que comprende nanopartículas de oro como capa activa.Figure 3 This figure shows a graph representing the variation of optical transmission with the mechanical stress applied in a material according to an embodiment of the invention, which uses a film comprising gold nanoparticles as an active layer.
Figura 4 En esta figura se muestra un gráfico donde se representa la variación de la transmisión óptica con la tensión mecánica aplicada, cuando se utiliza como capa activa una película que comprende nanopartículas de oro de mayor espesor que la utilizada en el ejemplo de la Figura 3.Figure 4 This figure shows a graph representing the variation of optical transmission with the applied mechanical stress, when a film comprising gold nanoparticles of greater thickness than that used in the example of Figure 3 is used as the active layer. .
Figura 5a-d En estas figuras se muestra la variación en la morfología del micropatrón proporcionado sobre un sustrato cubierto por una capa activa de oro, según una realización de la invención.Figure 5a-d These figures show the variation in the morphology of the micropattern provided on a substrate covered by an active layer of gold, according to an embodiment of the invention.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED STATEMENT OF THE INVENTION
La presente invención proporciona un método de fabricación de un material compuesto con al menos una propiedad óptica regulable, que comprende las siguientes etapas:The present invention provides a method of manufacturing a composite material with at least one adjustable optical property, which comprises the following steps:
a) proporcionar un sustrato deformable elásticamente;a) providing an elastically deformable substrate;
b) proporcionar un patrón sobre al menos una porción del sustrato;b) providing a pattern on at least a portion of the substrate;
c) proporcionar, al menos sobre el patrón, una capa activa en un rango del espectro electromagnético que comprende al menos parte del espectro visible y/o del espectro infrarrojo térmico.c) providing, at least on the pattern, an active layer in a range of the electromagnetic spectrum that comprises at least part of the visible spectrum and/or the thermal infrared spectrum.
La emisividad, transmisión, absorción y/o reflexión de luz visible e infrarroja del material compuesto obtenido mediante dicho método pueden ser controladas mediante la deformación elástica del material debido a la alteración de las características de la capa activa del mismo. The emissivity, transmission, absorption and/or reflection of visible and infrared light of the composite material obtained by said method can be controlled through the elastic deformation of the material due to the alteration of the characteristics of its active layer.
Para obtener de manera experimental los gráficos que se proporcionan en las figuras 1 a 5, se usó un sustrato en forma de membrana polimérica elástica preparada a partir del elastómero estireno-etileno-butileno-estireno (SEBS). A continuación se grabó sobre dicha membrana de SEBS un patrón micrométrico mediante un proceso fotolitográfico. La capa activa se depositó sobre el micropatrón de la membrana de SEBS. Como capa activa se utilizaron láminas de oro) depositadas mediante pulverización catódica con magnetrón en corriente continua.To experimentally obtain the graphs provided in Figures 1 to 5, a substrate in the form of an elastic polymeric membrane prepared from the styrene-ethylene-butylene-styrene (SEBS) elastomer was used. A micrometric pattern was then recorded on said SEBS membrane using a photolithographic process. The active layer was deposited on the micropattern of the SEBS membrane. Gold sheets deposited by direct current magnetron sputtering were used as the active layer.
Para las figuras 1 a 4, las propiedades ópticas de las membranas obtenidas (transmisión y reflexión) fueron estudiadas mediante espectroscopía infrarroja (FTIR) en el intervalo de números de onda (K en el eje de abscisas) entre 650 y 4000 cm-1. Debido al cambio en la morfología y tamaño de la capa activa al deformar elásticamente la membrana, las propiedades de reflexión y transmisión de radiación visible e infrarroja cambian notablemente.For Figures 1 to 4, the optical properties of the membranes obtained (transmission and reflection) were studied by infrared spectroscopy (FTIR) in the range of wave numbers ( K on the abscissa axis) between 650 and 4000 cm-1. Due to the change in the morphology and size of the active layer by elastically deforming the membrane, the reflection and transmission properties of visible and infrared radiation change noticeably.
En particular, en la Figura 1 se muestra un gráfico donde se representa la variación de la reflexión óptica en función de la tensión mecánica aplicada en el material compuesto que se utilizó para los experimentos. En particular, se utilizó un material compuesto con una capa activa de espesor 100 nm y compuesta por una película que comprende nanopartículas de oro.In particular, Figure 1 shows a graph where the variation of optical reflection is represented as a function of the mechanical stress applied to the composite material that was used for the experiments. In particular, a composite material was used with an active layer of 100 nm thickness and composed of a film comprising gold nanoparticles.
En el gráfico mostrado, cada una de las curvas mostradas en diferentes tonos de grises corresponde a un valor diferente de tensión (St) aplicada, siendo ésta mayor, tal y como indica el sentido de la flecha, en el sentido descendente del eje de las ordenadas. Por tanto, dicho gráfico muestra de qué manera varía la reflexión con el número de onda (K) y cómo dichos valores de reflexión son menores con valores crecientes de tensión aplicada y, por lo tanto, de deformación elástica.In the graph shown, each of the curves shown in different shades of gray corresponds to a different value of applied voltage (St), this being greater, as indicated by the direction of the arrow, in the downward direction of the axis of the ordered. Therefore, said graph shows how the reflection varies with the wave number (K) and how said reflection values are lower with increasing values of applied stress and, therefore, elastic deformation.
En la Figura 2, se muestra un gráfico donde se representa la variación de la reflexión óptica en función de la tensión mecánica aplicada, cuando se utiliza como capa activa una película que comprende nanopartículas de oro de mayor espesor que la utilizada en el ejemplo de la Figura 1. Concretamente, una capa activa de espesor 200nm, es decir, el doble de la utilizada en el ejemplo de la Figura 1.Figure 2 shows a graph showing the variation of the optical reflection as a function of the applied mechanical stress, when a film comprising gold nanoparticles of greater thickness than that used in the example of the figure is used as the active layer. Figure 1. Specifically, an active layer with a thickness of 200nm, that is, twice the thickness used in the example in Figure 1.
Como se puede comprobar, el resultado de modificar el material compuesto utilizado para la Figura 1, incrementando el espesor de la película de oro, es decir, de la capa activa proporcionada sobre el patrón, se traduce en una mayor variación de los valores de reflexión en función del estiramiento (tensión mecánica extensiva), tal y como se puede comprobar por la mayor distancia entre curvas, así como un mayor rango de valores cubierto en el eje de las ordenadas. En particular, se comprueba que se alcanzan valores de variación porcentual de hasta el 55% para la reflexión.As can be seen, the result of modifying the composite material used for Figure 1, increasing the thickness of the gold film, that is, of the active layer provided on the pattern, translates into a greater variation in the reflection values. as a function of stretching (extensive mechanical stress), as can be seen by the greater distance between curves, as well as a greater range of values covered on the ordinate axis. In particular, it is verified that percentage variation values of up to 55% are reached for reflection.
Se comprueba, así, que la posibilidad de manipular la radiación, y más concretamente el valor de la reflexión, puede optimizarse fácilmente ajustando el espesor de la capa activa del material compuesto.It is thus verified that the possibility of manipulating the radiation, and more specifically the value of the reflection, can be easily optimized by adjusting the thickness of the active layer of the composite material.
En cuanto a la Figura 3, se muestra un gráfico donde se representa la variación de la transmisión óptica con la tensión mecánica aplicada en el material compuesto del ejemplo de la Figura 1.Regarding Figure 3, a graph is shown where the variation of optical transmission with the mechanical stress applied in the composite material of the example in Figure 1 is represented.
En el gráfico mostrado, cada una de las curvas mostradas en diferentes tonos de grises corresponde a un valor diferente de tensión (St) aplicada, siendo ésta mayor, tal y como indica el sentido de la flecha, en el sentido ascendente del eje de las ordenadas. Por tanto, dicho gráfico muestra de qué manera varía la transmisión con el número de onda (K) y cómo dichos valores de transmisión son mayores con valores crecientes de tensión aplicada y, por lo tanto, de deformación elástica. En particular, se comprueba que se alcanzan valores de variación porcentual de hasta el 40% para la transmisión.In the graph shown, each of the curves shown in different shades of gray corresponds to a different value of applied voltage (St), this being greater, as indicated by the direction of the arrow, in the ascending direction of the axis of the ordered. Therefore, said graph shows how the transmission varies with the wave number ( K) and how said transmission values are greater with increasing values of applied stress and, therefore, elastic deformation. In particular, it is verified that percentage variation values of up to 40% are reached for transmission.
En la Figura 4 se muestra un gráfico donde se representa la variación de la transmisión óptica con la tensión mecánica aplicada, cuando se utiliza como capa activa una película que comprende nanopartículas de oro de mayor espesor que la utilizada en el ejemplo de la Figura 3, y más concretamente, con el mismo espesor que el material compuesto del ejemplo de la Figura 2.Figure 4 shows a graph representing the variation of optical transmission with the applied mechanical stress, when a film comprising gold nanoparticles of greater thickness than that used in the example of Figure 3 is used as the active layer. and more specifically, with the same thickness as the composite material of the example in Figure 2.
Como se puede comprobar, el resultado de modificar el material compuesto utilizado para el ejemplo de la Figura 3, incrementando el espesor de la película de oro, es decir, de la capa activa proporcionada sobre el patrón, se traduce en una menor variación de los valores de transmisión en función del estiramiento (tensión mecánica extensiva), tal y como se puede comprobar por la mayor distancia entre curvas, así como un mayor rango de valores cubierto en el eje de las ordenadas. As can be seen, the result of modifying the composite material used for the example in Figure 3, increasing the thickness of the gold film, that is, of the active layer provided on the pattern, translates into a lower variation of the transmission values as a function of stretching (extensive mechanical stress), as can be seen by the greater distance between curves, as well as a greater range of values covered on the ordinate axis.
Se comprueba, así, que la posibilidad de manipular la radiación óptica o térmica, y más concretamente el valor de la transmisión, puede optimizarse fácilmente ajustando el espesor de la capa activa del material compuesto.It is thus proven that the possibility of manipulating the optical or thermal radiation, and more specifically the value of the transmission, can be easily optimized by adjusting the thickness of the active layer of the composite material.
Finalmente, en relación con las Figuras 5a-d, la morfología de la membrana se estudió, tanto en extensión como en reposo mediante microscopía electrónica de barrido, técnica que permitió obtener las imágenes mostradas.Finally, in relation to Figures 5a-d, the morphology of the membrane was studied, both in extension and at rest using scanning electron microscopy, a technique that allowed obtaining the images shown.
En particular, en las Figuras 5a-d se muestra la variación en la morfología del micropatrón proporcionado sobre el sustrato en el material compuesto que se utilizó para los experimentos.In particular, Figures 5a-d show the variation in the morphology of the micropattern provided on the substrate in the composite material that was used for the experiments.
Así, en la Figura 5a se muestra una imagen ampliada de una porción de la membrana elastomérica del ensayo sobre la que se grabó un patrón micrométrico mediante un proceso fotolitográfico, para posteriormente depositar una capa activa compuesta de láminas de oro. En este ejemplo el patrón comprende una pluralidad de líneas o bandas paralelas. En la imagen mostrada en la Figura 5a no se ha aplicado ningún tipo de tensión mecánica ni, por lo tanto, presenta ningún grado de deformación elástica.Thus, Figure 5a shows an enlarged image of a portion of the elastomeric membrane of the test on which a micrometric pattern was recorded using a photolithographic process, to subsequently deposit an active layer composed of gold sheets. In this example the pattern comprises a plurality of parallel lines or bands. In the image shown in Figure 5a, no type of mechanical stress has been applied nor, therefore, does it present any degree of elastic deformation.
Sin embargo, en el caso de la Figura 5b se ha aplicado una tensión mecánica extensiva que se traduce en un estiramiento de la membrana de ensayo, alterando las características geométricas del patrón y la capa activa, lo cual tiene repercusión en el comportamiento y propiedades ópticas del material compuesto en su conjunto. En particular, se aprecia que, tras el estiramiento, existe una mayor distancia entre las líneas o bandas del patrón.However, in the case of Figure 5b, an extensive mechanical stress has been applied that results in a stretching of the test membrane, altering the geometric characteristics of the pattern and the active layer, which has an impact on the behavior and optical properties. of the composite material as a whole. In particular, it is seen that, after stretching, there is a greater distance between the lines or bands of the pattern.
En la Figura 5c se aprecia el resultado de aplicar una mayor tensión mecánica extensiva que la aplicada en la figura 5b, lo que se traduce en un incremento de la separación entre las líneas o bandas del patrón, así como un ensanchamiento de las mismas.Figure 5c shows the result of applying a greater extensive mechanical stress than that applied in Figure 5b, which translates into an increase in the separation between the lines or bands of the pattern, as well as a widening of them.
Finalmente, en la Figura 5d se aprecia el resultado de cesar en la aplicación de tensión sobre la membrana de ensayo. Se comprueba que, ante la desaparición de dicha tensión, la membrana vuelve a un estado de relajación donde recupera la estructura inicial que presentaba en la figura 5a, sin presentar deformación elástica permanente. La membrana recupera, por tanto, los valores iniciales de transmisión y reflexión ópticas. Finally, Figure 5d shows the result of ceasing the application of tension on the test membrane. It is verified that, upon the disappearance of said tension, the membrane returns to a state of relaxation where it recovers the initial structure that it presented in Figure 5a, without presenting permanent elastic deformation. The membrane therefore recovers the initial values of optical transmission and reflection.
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