Selvsamling af responsive fotoniske biobaserede materialer i flydende kugler

En overflade viser strukturelle farver, når lys reflekteres af små, regulære strukturelle elementer i et gennemsigtigt materiale. Forskere har nu udviklet en metode til at lave strukturelle farver fra cellulosebaserede polymerer ved at bruge coatede dråber, der findes i en omgivende væske - såkaldte flydende marmor. Systemet reagerer let på miljøændringer, hvilket gør det interessant til anvendelser i bio-baserede sensorer og bløde fotoniske elementer, ifølge en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Strukturelle farver er en måde at farvelægge et materiale på uden at bruge et farvestof. I stedet, det gennemsigtige materiale genererer farve gennem dets regelmæssige arrangement af dets molekyler eller andre elementer, som set, for eksempel, i krusningerne i skæl af farverige fisk og sommerfugle, eller i nanokrystaller arrangeret i visse afstande, som i kamæleonernes farveskiftende hud.

Manos Anyfantakis og kolleger ved University of Luxembourg har identificeret et middel til at kontrollere banen, afstanden af ​​en hel spiralformet drejning i en polymer, som et strukturelt element, hvorpå der kan opstå refleksion og strukturelle farver opstår. Forskere kan forberede flydende krystallinske faser af biopolymerer med tonehøjder, der genererer strukturelle farver - kaldet kolesteriske faser - men disse præparater afhænger af mange parametre og har brug for lang tid for at nå ligevægt.

Nu, Anyfantakis og kolleger har opdaget en hurtigere og bedre kontrollerbar metode, ved at bruge flydende kugler som en platform for kontrolleret selvsamling af biopolymerbaserede strukturelle farver. Flydende kugler er millimeterstore dråber af flydende krystallinske opløsninger, som er belagt med nanopartikler. Belægningen beskytter væsken mod at blande sig med den ydre væske, men giver stadig mulighed for noget interaktion, afhængig af arten af ​​begge væsker.

I dette tilfælde, forskerne fremstillede flydende kugler ud fra en vandig opløsning af hydroxypropylcellulose - en modificeret cellulosepolymer, der orienterer sig i kolesteriske faser - belagt med silicananopartikler. Disse cellulosebaserede flydende kugler var farveløse i starten, men ved at lade dem opholde sig i nogen tid i et defineret volumen af ​​et organisk opløsningsmiddel, fremkaldte langsomt klare farver af rødt, grøn, og blå.

Farverne var resultatet af en koncentrationsændring i dråberne, fandt forfatterne ud af. Det organiske opløsningsmiddel ekstraherede langsomt vand fra de flydende kugler, hvilket fik biopolymeren til at antage en krystalform, der er egnet til strukturelle farver. Langsomhed og kontrollerbarhed var afgørende, forfatterne påpegede, fordi "dette giver tid nok til, at polymermolekylerne kan tilpasse sig koncentrationsændringen, organisering med en ny ligevægts tonehøjde, " forklarede de.

Metoden er elegant og enkel, og farverne afhænger kun af volumenet af det organiske opløsningsmiddel. Forskerne introducerede også eksterne stimuli såsom varme, tryk, eller eksponering for kemikalierne og observerede karakteristiske farveskift, svarende til en varierende tonehøjdestørrelse. Disse skift var reversible:ved genanvendelse af de normale forhold, de flydende kugler vendte tilbage til deres oprindelige farver, observerede forfatterne.

Forfatterne mener, at de biopolymerbaserede flydende kugler kunne tilbyde en vej til at syntetisere omkostningseffektive, miljøvenligt, og bæredygtige sensorer.