Fotoniske geler er farverige sensorer

(Phys.org)-Materialeforskere ved Rice University og Massachusetts Institute of Technology (MIT) har skabt meget tynde farveændrende film, der kan tjene som en del af billige sensorer til ødelæggelse af mad eller sikkerhed, multibånds optiske elementer i laserdrevne systemer og endda som en del af skærme med høj kontrast.

Det nye arbejde ledet af Rice materialeforsker Ned Thomas kombinerer polymerer til en unik, selvmonteret metamateriale, der, når de udsættes for ioner i en opløsning eller i miljøet, ændrer farve afhængigt af ionernes evne til at infiltrere de hydrofile (vandglade) lag.

Forskningen blev offentliggjort i American Chemical Society journal ACS Nano .

Det mikron tykke materiale kaldet en fotonisk gel, langt tyndere end et menneskehår, det er så billigt at lave det, Thomas sagde, "Vi kunne dække et område på størrelse med en fodboldbane med denne film for omkring hundrede dollars."

Men til praktiske anvendelser, meget mindre stykker ville gøre. "Antag, at du vil have en madføler, "sagde Thomas, William og Stephanie Sick dekan for Rices George R. Brown School of Engineering og tidligere formand for Institut for Materialevidenskab og Teknik ved MIT. "Hvis den er inde i en forseglet emballage, og miljøet i den pakke ændres på grund af forurening eller ældning eller udsættelse for temperatur, en inspektør ville se, at sensoren skifter fra blå til rød og straks ved, at maden er forkælet. "

Sådanne visuelle tegn er gode, han sagde, "især når du skal se på mange af dem. Og du kan læse disse sensorer med lavteknologi, enten med dine egne øjne eller et spektrofotometer til at scanne ting. "

Filmene er lavet af nanoskala lag af hydrofob polystyren og hydrofil poly (2-vinylpyridin). I den flydende opløsning, polymermolekylerne diffunderer, men når væsken påføres på en overflade, og opløsningsmidlet fordamper, blokcopolymermolekylerne samler sig selv i en lagdelt struktur.

Polystyrenmolekylerne klumper sig sammen for at holde vandmolekyler ude, mens poly (2-vinylpyridin), P2VP for kort, danner sine egne lag mellem polystyren. På et underlag, lagene dannes til en gennemsigtig stak af skiftevis "nano-pandekager". "Det smukke ved selvsamling er, at det er samtidigt, alle lagene dannes på én gang, "Sagde Thomas.

Forskerne udsatte deres film for forskellige løsninger og fandt forskellige farver afhængigt af, hvor meget opløsningsmiddel der blev optaget af P2VP -lagene. For eksempel med en opløsning af chlor/oxid/jern, der ikke let absorberes af P2VP, filmen er gennemsigtig, Sagde Thomas. "Når vi tager det ud, vask filmen og indbring en ny løsning med en anden ion, farven ændrer sig. "

Forskerne gradvist gjorde en klar film til blå (med thiocyanat), til grønt (jod), til gul (nitrat), til orange (brom) og til sidst til rød (klor). I hvert tilfælde, ændringerne var reversible.

Thomas forklarede, at den direkte udveksling af modsætninger fra løsningen til P2VP udvider disse lag og skaber et fotonisk båndgab - lysækvivalenten til et halvledende båndgab - der gør det muligt at reflektere farve i en bestemt bølgelængde. "Bølgelængderne i det fotoniske båndgab er forbudt at formere sig, " han sagde, som gør, at gelerne kan tunes til at reagere på bestemte måder.

"Forestil dig et solidt, hvor du skaber et båndgab overalt, men langs en 3D-sti, og lad os sige, at stien er en snævert defineret region, du kan fremstille inden for dette ellers fotoniske materiale. Når du først sætter lys ind på den vej, det er forbudt at forlade, fordi det ikke kan komme ind i materialet, på grund af bandgabet.

"Dette kaldes at forme lysstrømmen, "sagde han." I disse dage inden for fotonik, folk tænker på lys, som om det var vand. Det er, du kan putte det i disse små rør. Du kan dreje lys rundt om hjørner, der er meget skarpe. Du kan sætte det, hvor du vil have det, holde det fra hvor du ikke vil have det. VVS af lys har været meget lettere end tidligere, på grund af fotonik, og i fotoniske krystaller, due to band gaps."