Главная Новости Ученые обнаружили «хороший дефект» геликоидальной формы в слоистых полимерах

Ученые обнаружили «хороший дефект» геликоидальной формы в слоистых полимерах

Недавно доктор Эдвин Л. Томас, профессор кафедры материаловедения и инженерии, и группа исследователей из Техасского университета A&M и Университета Йонсей обнаружили дефект геликоидальной формы в слоистых полимерах.

По результатам исследования они описали, как растворители могут диффундировать через слои и вызывать изменение цвета, сообщает Альтернативная наука со ссылкой на публикацию в журнале Science Advances.

В некоторых интерактивных электронных устройствах, например, датчики температуры или датчики здоровья, используются полимеры, способные менять цвет в зависимости от раздражителя. Это явление называют стимульно-интерактивными структурными цветами, поскольку материал реагирует и меняет цвет под воздействием изменений окружающей среды, - растворителя или раствора.

Материал, имеющий одномерную периодическую структуру, состоящую из двух слоев (A и B), действует как фотонный кристалл и может отражать свет определенной длины волны (цвета) в зависимости от толщины каждого слоя.

Стимулирующе-интерактивный структурный цвет работает путем изменения фотонных кристаллов с помощью внешних стимулов или сил.

Толщина каждого полимерного слоя влияет на цвет отраженного света: если все слои в материале имеют одинаковую толщину, будет отражаться один цвет. Если различные части материала состоят из слоев, каждый из которых имеет разную толщину, то каждый слой будет отражать разные цвета, а материал приобретет металлизированный оттенок, отражающий все цвета.

Структура цветов на метаповерхностях

В некоторых случаях для набухания одного из конкретных полимерных слоев используется предпочтительный растворитель, целенаправленно вызывающий изменение цвета. Исследователи заметили, что в этих материалах набухали ожидаемые слои. Однако было непонятно, как растворитель просачивается/переходит через слои, которые не набухают, к тем, что должны набухать.

"Допустим, мы наносим растворитель на несколько полимерных слоев А и В, - говорит Томас. - Первый слой А набухает, слой В не набухает, но набухает следующий слой А. Как второй слой растворителя А проникает через слой В? Мы поняли, что в общей структуре полимера должно быть что-то, что позволяет растворителю проникать в другие слои".

Чтобы понять, что происходит внутри полимеров, исследователи использовали электронный луч для создания томограммы - техники реконструкции, которая позволяет получить очень тонкие двухмерные изображения участков трехмерных объектов, чтобы понять, что находится внутри.

"Предположим, у вас есть буханка хлеба, и вы хотите узнать, есть ли в ней дырка, - по-простецки поясняет Томас. - Если вы нарежете ее тонкими ломтиками, то в конце концов обнаружите «пробоину». Вы продолжаете нарезать, и тогда дырка исчезает. Если посмотреть на все ломтики, то можно понять, где именно находятся дырки... Этот процесс похож на идею томографа".

 

В результате исследователи обнаружили, что в полимерном фотонном кристалле присутствуют геликоидальные винтовые дислокации (дефекты), позволяющие растворителю легко и быстро проникать в различные слои, вызывая набухание и стимулируя изменение цвета структуры.

Обычно дефекты связаны с высокой энергией и являются сингулярными (резко нарушают периодичность, возникая в одном месте).

В отличие от них, геликоидальные дефекты несингулярны и образуются спонтанно - явное преимущество для материалов.

"Это хороший вид дефектов, который способствует улучшению свойств и обеспечивает быстрое и эффективное проникновение в материал растворителя и быстрое набухание. Если бы таких дефектов не было, то слои могли бы окрашиваться только с краев", - говорит Томас.

Поскольку стимул-интерактивный структурный цвет представляет собой отличный потенциал для таких устройств, как датчики здоровья и человеко-интерактивная электроника, управление боковым расстоянием или количеством геликоидальных дефектов может стать решающим фактором в будущих приложениях.

"В настоящее время эти дефекты дают благоприятный эффект, но все зависит от области применения", - указывает исследователь.

"Наша следующая задача - определить, как контролировать расстояние между этими дефектами и их количеством, а также получиь больший контроль над временем, которое требуется для перемещения жидкости через слои".

«Понимание этих дефектов является ключом к увеличению числа приложений, в которых может использоваться эта технология».