En god defekt? Forskere opdager spiralformede skrueforskydninger i lagdelte polymerer

Dr. Edwin L. Thomas, professor i Institut for Materialevidenskab og Teknik, og et team af forskere fra Texas A&M University og Yonsei University har for nylig opdaget en spiralformet defekt i lagdelte polymerer, der afslører, hvordan opløsningsmidler kan diffundere gennem lag og producere farveændringer.

Denne forskning blev for nylig offentliggjort i Science Advances.

I noget menneske-interaktiv elektronik, såsom temperaturmålere eller sundhedssensorer, bruges polymerer, der er i stand til at skifte farve afhængigt af stimuli. Dette fænomen omtales som stimuli-interaktive strukturelle farver, fordi materialet reagerer og ændrer farve på grund af miljøændringer, såsom et opløsningsmiddel eller opløsning.

Et materiale, der har en endimensionel periodisk struktur bestående af to (A og B) lag, fungerer som en fotonisk krystal og kan reflektere lys af en given bølgelængde (farve) afhængigt af tykkelsen af ​​hvert lag. Stimuli-interaktive strukturelle farver virker ved at ændre fotoniske krystaller ved hjælp af eksterne stimuli eller kræfter. Tykkelsen af ​​hvert polymerlag påvirker farven på det reflekterede lys:Hvis alle lagene i et materiale er af samme tykkelse, vil en enkelt farve blive reflekteret. Hvis forskellige dele af materialet er sammensat af stakke af lag, der hver har en forskellig tykkelse, vil hvert lag afspejle en anden farve, og materialet vil fremstå som et normalt metalmateriale, der afspejler alle farver.

I nogle tilfælde bruges et foretrukket opløsningsmiddel til at kvælde et af de særlige polymerlag, hvilket målrettet forårsager farveændringer. Forskerne bemærkede, at de forventede lag hævede i disse materialer. Det var dog uklart, hvordan opløsningsmidlet siver/krydsede gennem lag, der ikke kvældede, til dem, der skulle svulme.

"Lad os sige, at vi lægger et opløsningsmiddel over flere polymer A- og B-lag," sagde Thomas. "Det første A-lag svulmer, B-laget svulmer ikke, men det næste lag A vil. Hvordan kommer det andet lag af opløsningsmiddel A gennem B-laget? Vi indså, at der må være noget i den overordnede polymerstruktur, der tillader passage af opløsningsmiddel til de andre lag."

For at forstå, hvad der foregik i polymererne, brugte forskerne en elektronstråle til at udvikle et tomogram - en rekonstruktionsteknik, der tager meget tynde, todimensionelle billeder af sektioner af 3D-objekter for at afdække, hvad der er indeni.

"Sæt du havde et brød, og du ville vide, om der var et hul et sted i brødet," sagde Thomas. "Hvis du snittede det i tynde skiver, ville du i sidste ende ramt hullet. Du fortsætter med at skære, og så ville hullet forsvinde. Hvis du kiggede på alle skiverne, kunne du forstå præcis, hvor hullerne er. Denne proces ligner ideen af en tomograf."

Ved hjælp af denne metode fandt forskerne ud af, at der i det polymere fotoniske krystalmateriale var skrueformede skrueforskydninger (defekter) til stede, hvilket tillod opløsningsmidlet at let og hurtigt krydse igennem til forskellige lag, hvilket forårsagede hævelsen og producerede stimuli-interaktive strukturelle farveændringer.

Typisk er defekter forbundet med høj energi og er enkeltstående (brat forstyrrer den periodicitet, der forekommer et sted). I modsætning hertil er de spiralformede defekter ikke-singulære og spontant dannede - en fordel for materialerne.

"Dette er en god form for defekt, der hjælper egenskaberne og tillader hurtig og effektiv indtrængning i materialet med opløsningsmiddel og hurtig hævelse. Hvis disse ting ikke eksisterede, ville den eneste måde, lagene kunne svede på være fra kanterne," sagde Thomas .

Fordi stimuli-interaktive strukturelle farver udgør et fremragende potentiale for enheder såsom sundhedssensorer og menneskelig interaktiv elektronik, kan styring af den laterale afstand eller mængden af ​​helicoide defekter være en kritisk faktor i fremtidige applikationer.

"Disse defekter giver i øjeblikket en gunstig effekt, men det afhænger af applikationen," sagde han. "Vores næste udfordring er at dechifrere, hvordan man kontrollerer afstanden og mængden af ​​disse defekter, og til gengæld have mere kontrol over den tid, det tager for væsken at bevæge sig gennem lagene. At forstå disse defekter er nøglen til at øge antallet af applikationer dette teknologi kan bruges i." + Udforsk yderligere

Farveskiftende belægninger udløst af temperaturændringer