Magiske fibre:En forsker arbejder på at skabe smarte stoffer, der kan ændre farve

Forestil dig at bruge en rengøringsserviet, der kunne registrere tilstedeværelsen af ​​en bakterie eller patogen og skifte til en anden farve, eller en N95 åndedrætsmaske, der kunne registrere tilstedeværelsen af ​​den nye coronavirus og reagere på en måde, der advarer bæreren, så de ville vide, hvornår de skulle ændre det.

Christina Tang, Ph.d., en assisterende professor ved Institut for Kemi- og Biovidenskabsteknik ved Virginia Commonwealth University, tester nye måder at bringe disse scenarier til live ved at spinde flydende krystaller til fibre, der skifter farve ved forskellige temperaturer.

Tang og studerende på hendes Vertically Integrated Projects-team har arbejdet på et projekt med den amerikanske hær for at lave fibre med disse tilsyneladende magiske – eller termokromiske – egenskaber. I stedet for et roterende hjul, Tangs laboratorium bruger et elektrospinningsinstrument i en proces, som hun sammenlignede med at lave candy. En dyse genererer materialet, som derefter trækkes ind i en fiber og rulles til ark.

Tangs gruppe er ved at bestemme, hvordan fiber og flydende krystaller kan behandles, så en stigning eller fald i temperaturen vil resultere i en ændring "så vi stadig kan få farve, men så også grundlæggende forstå, hvordan den bearbejdning påvirker faseændringen."

Disse "smarte stoffer" er lavet af bløde, lette og elastiske materialer og kan bruges i tøj såsom camouflage eller til andre applikationer såsom påvisning af tilstedeværelsen af ​​et patogen som en virus. De er også blevet brugt til at skabe bærbare sensorer og enheder.

Tang arbejder på nanoskala, hvor en nanofiber er 1, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Hendes forskningsområder omfatter funktionelle polymer nanomaterialer og nanopartikler.

Polymer nanomaterialer er lavet af plast som nylon eller polyethylen - den samme slags materiale, der bruges til at lave plastik sodavandsflasker. Tangs laboratorium laver nonwoven nanofibre, ligner en genanvendelig indkøbspose, som nemt kan masseproduceres.

"Vi kan godt lide at tænke på, hvordan vi kan tilføje funktion til disse materialer, " hun sagde.

I tilfælde af N95-masken, hun sagde, en bærer ville vide "når du skulle ændre det, i stedet for bare at gætte." Med rengøringsservietter, "man kunne blive ved med at tørre, indtil den ikke skiftede farve mere."

I sin undersøgelse af at forstå de grundlæggende egenskaber af disse materialer, Tang tester, hvordan man laver termokrome fibre ved at inkorporere flydende krystalformuleringer i elektrospundne nanofibre.

Aaron Wimberly, en junior hovedfag i kemi- og biovidenskabsteknik, begyndte at arbejde på projektet sommeren før sit andet år.

"Da jeg først kom ind i laboratoriet, og Dr. Tang viste mig nogle af prøverne af elektrospundne vævede måtter og polymeropløsninger, det var virkelig, virkelig cool, " sagde han. Han har siden hjulpet med at lave prøver, der kan ændre farve.

Tang sagde, at nogle forskere inden for området fokuserer på væsker, mens andre på polymerer. Hendes tilgang, i skæringspunktet mellem de to, anvender metoder, der typisk anvendes til væsker, på disse materialer.

De flydende krystaller, som er i mellem flydende og fast fase, har den optiske egenskab af reflekteret farve - "det samme princip, der giver sommerfuglevinger deres farve i stedet for farvestoffer, der absorberer farve, " sagde Tang.