(Phys.org)—Materiaalwetenschappers van de Rice University en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben zeer dunne, van kleur veranderende films gemaakt die kunnen dienen als onderdeel van goedkope sensoren voor voedselbederf of veiligheid, multiband optische elementen in lasergestuurde systemen en zelfs als onderdeel van contrastrijke displays.

Het nieuwe werk onder leiding van Rice-materiaalwetenschapper Ned Thomas combineert polymeren tot een uniek, zelf-geassembleerd metamateriaal dat, bij blootstelling aan ionen in een oplossing of in de omgeving, verandert van kleur afhankelijk van het vermogen van de ionen om de hydrofiele (waterminnende) lagen te infiltreren.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Het micron dikke materiaal dat een fotonische gel wordt genoemd, veel dunner dan een mensenhaar, is zo goedkoop om dat te maken, Tomas zei, "Voor ongeveer honderd dollar zouden we met deze film een ​​gebied ter grootte van een voetbalveld kunnen bestrijken."

Maar voor praktische toepassingen veel kleinere stukken zouden doen. "Stel dat je een voedselsensor wilt, " zei Tomas, de William en Stephanie Sick Dean van Rice's George R. Brown School of Engineering en voormalig voorzitter van het Department of Materials Science and Engineering aan het MIT. "Als het in een verzegelde verpakking zit en de omgeving in die verpakking verandert door besmetting of veroudering of blootstelling aan temperatuur, een inspecteur zou die sensor van blauw naar rood zien veranderen en meteen weten dat het eten bedorven is."

Zulke visuele aanwijzingen zijn goed, hij zei, "vooral als je er veel moet bekijken. En je kunt deze sensoren met low-tech lezen, ofwel met je eigen ogen of een spectrofotometer om dingen te scannen."

De films zijn gemaakt van nanoschaallagen van hydrofoob polystyreen en hydrofiel poly(2-vinylpyridine). In de vloeibare oplossing, de polymeermoleculen zijn diffuus, maar wanneer de vloeistof op een oppervlak wordt aangebracht en het oplosmiddel verdampt, de blokcopolymeermoleculen assembleren zichzelf tot een gelaagde structuur.

De polystyreenmoleculen klonteren samen om watermoleculen buiten te houden, terwijl het poly (2-vinylpyridine), P2VP in het kort, vormt zijn eigen lagen tussen het polystyreen. Op een ondergrond, de lagen vormen een transparante stapel afwisselende "nano-pannenkoeken". "Het mooie van zelfassemblage is dat het gelijktijdig is, alle lagen vormen zich tegelijk, "zei Tomas.

De onderzoekers stelden hun films bloot aan verschillende oplossingen en vonden verschillende kleuren, afhankelijk van hoeveel oplosmiddel werd opgenomen door de P2VP-lagen. Bijvoorbeeld met een chloor/oxide/ijzer-oplossing die niet goed wordt geabsorbeerd door de P2VP, de folie is transparant, zei Tomas. "Als we dat eruit halen, was de film en breng een nieuwe oplossing aan met een ander ion, de kleur verandert."

De onderzoekers veranderden geleidelijk een heldere film in blauw (met thiocyanaat), naar groen (jodium), tot geel (nitraat), naar oranje (broom) en tenslotte naar rood (chloor). In ieder geval, de veranderingen waren omkeerbaar.

Thomas legde uit dat de directe uitwisseling van tegenionen van de oplossing naar de P2VP die lagen uitbreidt en een fotonische bandgap creëert - het lichtequivalent van een halfgeleidende bandgap - waardoor kleur in een specifieke golflengte kan worden gereflecteerd. "De golflengten in die fotonische bandgap mogen zich niet voortplanten, " hij zei, waardoor de gels kunnen worden afgestemd om op specifieke manieren te reageren.

"Stel je een solide voor waarin je overal een band gap creëert, behalve langs een 3D-pad, en laten we zeggen dat het pad een nauw gedefinieerd gebied is dat je kunt maken in dit anders fotonische materiaal. Als je eenmaal licht op dat pad hebt gebracht, het is verboden om te vertrekken omdat het niet in het materiaal kan, vanwege de bandgap.

"Dit wordt het vormen van de lichtstroom genoemd, "zei hij. "Tegenwoordig in de fotonica, mensen denken over licht alsof het water is. Dat is, je kunt het in deze kleine pijpjes stoppen. Je kunt licht draaien om hoeken die erg scherp zijn. Je kunt het neerzetten waar je wilt, bewaar het van waar u het niet wilt. Het loodgieten van licht was veel gemakkelijker dan in het verleden, dankzij fotonica, and in photonic crystals, due to band gaps."