Flydende krystaller skaber letlæselige, farveskiftende sensorer

Kamæleoner er berømte for deres farveskiftende evner. Afhængigt af deres kropstemperatur eller humør, deres nervesystem dirigerer hudvæv, der indeholder nanokrystaller, til at udvide sig eller trække sig sammen, ændrer hvordan nanokrystallerne reflekterer lyset og gør krybdyrets hud til en regnbue af farver.

Inspireret af dette, forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago har udviklet en måde at strække og spænde flydende krystaller for at generere forskellige farver.

Ved at skabe en tynd film af polymer fyldt med flydende krystaldråber og derefter manipulere den, de har bestemt det grundlæggende for et farveskiftende sensorsystem, der kunne bruges til smarte belægninger, sensorer, og endda bærbar elektronik.

Forskningen, ledet af Juan de Pablo, Liew familieprofessor i molekylær teknik, blev offentliggjort 10. juli i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Strækvæske ved hjælp af tynde film

Flydende krystaller, som udviser distinkte molekylære orienteringer, er allerede grundlaget for mange displayteknologier. Men de Pablo og hans team var interesserede i chirale flydende krystaller, som har drejninger og drejninger og en vis asymmetrisk "håndhed" - som højrehåndethed eller venstrehåndethed - der giver dem mulighed for at have mere interessant optisk adfærd.

Disse krystaller kan også danne såkaldte "blå fase krystaller, " som har egenskaber af både væsker og krystaller og i nogle tilfælde kan transmittere eller reflektere synligt lys bedre end flydende krystaller selv.

Forskerne vidste, at disse krystaller potentielt kunne manipuleres til at producere en bred vifte af optiske effekter, hvis de strækkes eller belastes, men de vidste også, at det ikke er muligt at strække eller si en væske direkte. I stedet, de anbragte små flydende krystaldråber i en polymerfilm.

"På den måde kunne vi indkapsle chirale flydende krystaller og deformere dem i meget specifikke, meget kontrollerede måder, " sagde de Pablo. "Det giver dig mulighed for at forstå de egenskaber, de kan have, og hvilken adfærd de udviser."

Oprettelse af temperatur- og belastningssensorer

Ved at gøre dette, forskerne fandt mange flere forskellige faser - molekylære konfigurationer af krystallerne - end man havde kendt til før. Disse faser producerer forskellige farver baseret på, hvordan de strækkes eller belastes, eller endda når de gennemgår temperaturændringer.

"Nu er mulighederne virkelig åbne for fantasien, " sagde de Pablo. "Forestil dig at bruge disse krystaller i et tekstil, der ændrer farve baseret på din temperatur, eller skifter farve, hvor du bøjer albuen."

Et sådant system kunne også bruges til at måle belastning i flyvinger, for eksempel, eller for at skelne små ændringer i temperaturen i et rum eller system.

Ændringer i farve giver en glimrende måde at måle noget på eksternt, uden behov for nogen form for kontakt, sagde de Pablo.

"Du kan bare se på farven på din enhed og vide, hvor meget belastning det pågældende materiale eller enheden er under og tage korrigerende handlinger efter behov, " sagde han. "F.eks. hvis en struktur er under for meget stress, du kunne se farven ændre sig med det samme og lukke den ned for at reparere den. Eller hvis en patient eller en atlet belaster en bestemt kropsdel ​​for meget, mens de bevæger sig, de kunne bære et stof for at måle det og derefter prøve at rette det."

Selvom forskerne manipulerede materialerne med belastning og temperatur, der er også potentiale til at påvirke dem med spænding, magnetiske felter, og akustiske felter, han sagde, hvilket kunne føre til nye slags elektroniske enheder lavet af disse krystaller.

"Nu hvor vi har den grundlæggende videnskab til at forstå, hvordan disse materialer opfører sig, vi kan begynde at anvende dem på forskellige teknologier, " sagde de Pablo.