Stel je voor dat je een reinigingsdoekje gebruikt dat de aanwezigheid van een bacterie of ziekteverwekker kan detecteren en in een andere kleur kan veranderen, of een N95-ademhalingsmasker dat de aanwezigheid van het nieuwe coronavirus kan detecteren en kan reageren op een manier die de drager waarschuwt, zodat ze zouden weten wanneer ze het moesten veranderen.

Christina Tang, doctoraat, een assistent-professor bij de afdeling Chemische en Life Science Engineering aan de Virginia Commonwealth University, test nieuwe manieren om deze scenario's tot leven te brengen door vloeibare kristallen te spinnen tot vezels die bij verschillende temperaturen van kleur veranderen.

Tang en studenten van haar Vertically Integrated Projects-team hebben samen met het Amerikaanse leger aan een project gewerkt om vezels te maken met deze schijnbaar magische of thermochrome eigenschappen. In plaats van een spinnewiel, Tang's lab gebruikt een elektrospin-instrument in een proces dat ze vergeleek met het maken van suikerspin. Een mondstuk genereert het materiaal, die vervolgens tot een vezel wordt getrokken en tot vellen wordt gerold.

De groep van Tang bepaalt hoe de vezels en vloeibare kristallen kunnen worden verwerkt, zodat een stijging of daling van de temperatuur zal resulteren in een verandering "zodat we nog steeds kleur kunnen krijgen, maar dan ook fundamenteel begrijpen hoe die verwerking de faseverandering beïnvloedt."

Deze "slimme stoffen" zijn gemaakt van zachte, lichtgewicht en elastische materialen en kunnen worden gebruikt in kleding zoals camouflage of voor andere toepassingen zoals het detecteren van de aanwezigheid van een ziekteverwekker zoals een virus. Ze zijn ook gebruikt om draagbare sensoren en apparaten te maken.

Tang werkt op nanoschaal, waarbij één nanovezel 1 is, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Haar onderzoeksgebieden omvatten functionele polymere nanomaterialen en nanodeeltjes.

Polymeer nanomaterialen zijn gemaakt van plastic zoals nylon of polyethyleen - hetzelfde soort materiaal dat wordt gebruikt om plastic frisdrankflessen te maken. Tang's lab maakt nonwoven nanovezels, vergelijkbaar met een herbruikbare boodschappentas, die gemakkelijk in massa kan worden geproduceerd.

"We denken graag mee over hoe we deze materialen een functie kunnen geven, " ze zei.

In het geval van het N95-masker, ze zei, een drager zou weten "wanneer je het moest veranderen, in plaats van alleen maar te gissen." Met de schoonmaakdoekjes, "je zou kunnen blijven vegen totdat het niet meer van kleur verandert."

In haar onderzoek naar het begrijpen van de fundamentele eigenschappen van deze materialen, Tang test hoe thermochrome vezels kunnen worden gemaakt door vloeibare kristalformuleringen op te nemen in elektrospun nanovezels.

Aaron Wimberly, een junior hoofdvak in chemische en life science engineering, begon de zomer voor zijn tweede jaar aan het project te werken.

"Toen ik voor het eerst in het laboratorium kwam en Dr. Tang me enkele van de monsters van elektrospun geweven matten en polymeeroplossingen liet zien, het was echt, echt gaaf, " zei hij. Sindsdien heeft hij geholpen bij het maken van monsters die van kleur kunnen veranderen.

Tang zei dat sommige onderzoekers in het veld zich concentreren op vloeistoffen, terwijl anderen op polymeren. Haar aanpak, op het kruispunt van de twee, past methoden toe die typisch worden gebruikt voor vloeistoffen op deze materialen.

De vloeibare kristallen, die zich tussen de vloeibare en vaste fase bevinden, hebben de optische eigenschap van gereflecteerde kleur - "hetzelfde principe dat vlindervleugels hun kleur geeft in plaats van kleurstoffen die kleur absorberen, ' zei Tang.