Dr. Edwin L. Thomas, professor in het Department of Materials Science and Engineering, en een team van onderzoekers van de Texas A&M University en Yonsei University hebben onlangs een spiraalvormig defect ontdekt in gelaagde polymeren, waarmee ze blootleggen hoe oplosmiddelen door lagen kunnen diffunderen en produceren kleur verandert.

Dit onderzoek is onlangs gepubliceerd in Science Advances.

In sommige mens-interactieve elektronica, zoals temperatuurmeters of gezondheidssensoren, worden polymeren gebruikt die van kleur kunnen veranderen afhankelijk van prikkels. Dit fenomeen wordt stimuli-interactieve structurele kleuren genoemd omdat het materiaal reageert en van kleur verandert als gevolg van veranderingen in de omgeving, zoals een oplosmiddel of oplossing.

Een materiaal met een eendimensionale periodieke structuur bestaande uit twee (A en B) lagen werkt als een fotonisch kristal en kan licht van een bepaalde golflengte (kleur) reflecteren, afhankelijk van de dikte van elke laag. Stimuli-interactieve structurele kleur werkt door fotonische kristallen te veranderen met behulp van externe stimuli of krachten. De dikte van elke polymeerlaag beïnvloedt de kleur van het gereflecteerde licht:als alle lagen in een materiaal dezelfde dikte hebben, wordt een enkele kleur gereflecteerd. Als verschillende delen van het materiaal zijn samengesteld uit stapels lagen, elk met een verschillende dikte, zal elke laag een andere kleur reflecteren en zal het materiaal eruitzien als een normaal metalen materiaal, dat alle kleuren weerspiegelt.

In sommige gevallen wordt een voorkeursoplosmiddel gebruikt om een ​​van de specifieke polymeerlagen te laten zwellen, waardoor doelbewust kleurveranderingen worden veroorzaakt. De onderzoekers merkten dat de verwachte lagen in deze materialen opzwellen. Het was echter onduidelijk hoe het oplosmiddel sijpelde/doorsijpelde door lagen die niet opzwollen tot lagen die zouden moeten opzwellen.

"Laten we zeggen dat we een oplosmiddel over meerdere polymeer A- en B-lagen plaatsen", zei Thomas. "De eerste A-laag zwelt op, de B-laag zwelt niet, maar de volgende laag A wel. Hoe komt de tweede laag van oplosmiddel A door de B-laag? We realiseerden ons dat er iets in de algehele polymeerstructuur moet zijn waardoor de doorgang van oplosmiddel naar de andere lagen."

Om te begrijpen wat er in de polymeren gebeurde, gebruikten de onderzoekers een elektronenstraal om een ​​tomogram te ontwikkelen - een reconstructietechniek die zeer dunne, tweedimensionale afbeeldingen van secties van 3D-objecten maakt om te ontdekken wat erin zit.

'Stel dat je een brood hebt en je wilt weten of er ergens een gat in het brood zit,' zei Thomas. "Als je het dun sneed, zou je uiteindelijk het gat raken. Je blijft snijden en dan zou het gat verdwijnen. Als je naar alle plakjes zou kijken, zou je precies kunnen begrijpen waar de gaten zijn. Dit proces is vergelijkbaar met het idee van een tomograaf."

Met behulp van deze methode ontdekten de onderzoekers dat er in het polymeer fotonische kristalmateriaal helicoïdale schroefdislocaties (defecten) aanwezig waren, waardoor het oplosmiddel gemakkelijk en snel door verschillende lagen kon gaan, waardoor de zwelling ontstond en de stimuli-interactieve structurele kleurveranderingen werden geproduceerd.

Doorgaans worden defecten geassocieerd met hoge energie en zijn ze enkelvoudig (abrupte verstoring van de periodiciteit die op één locatie optreedt). Daarentegen zijn de helicoïdale defecten niet-singulier en spontaan gevormd - een voordeel voor de materialen.

"Dit is een goed soort defect dat de eigenschappen verbetert en een snelle en efficiënte penetratie in het materiaal mogelijk maakt met oplosmiddel en snelle zwelling. Als deze dingen niet zouden bestaan, zou de enige manier waarop de lagen zouden kunnen zweten vanaf de randen zijn," zei Thomas .

Omdat stimuli-interactieve structurele kleur een uitstekend potentieel biedt voor apparaten zoals gezondheidssensoren en mens-interactieve elektronica, zou het beheersen van de laterale afstand of het aantal schroefvormige defecten een kritische factor kunnen zijn in toekomstige toepassingen.

"Deze gebreken hebben momenteel een gunstig effect, maar het hangt af van de toepassing", zei hij. "Onze volgende uitdaging is het ontcijferen hoe we de afstand en de hoeveelheid van deze defecten kunnen beheersen, en op hun beurt meer controle hebben over de tijd die nodig is voor de vloeistof om door de lagen te bewegen. Het begrijpen van deze defecten is de sleutel voor het vergroten van het aantal toepassingen dit technologie kan worden gebruikt in." + Verder verkennen

Kleurveranderende coatings geactiveerd door temperatuurveranderingen