Alla som har en backspegel som automatiskt dimper blått som reaktion på irriterande helljus som blänker bakifrån har sett en elektrokrom film i aktion.

Nu, kemister vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en ny metod för att säkrare och i förlängningen, enkelt producera dessa skjuvfilmer, som ändrar färg med hjälp av en liten elektrisk ström. Detta skulle kunna göra dem tillgängliga för många industrier som inte har kunnat använda dem tidigare.

I tillverkningen, elektrokroma filmer beläggs ofta på andra material, som ytan på en spegel, som bläck. De är vanligtvis baserade på lösningsmedel som är brandfarliga och har giftiga ångor, vilket gör dem olämpliga för många arbetsmiljöer som är beroende av tryck- och sprutmaskiner för att applicera färger.

Georgia Tech-forskare har utvecklat elektrokrom filmbläck som är vattenbaserad, gör dem säkrare för diffus användning i miljöer där de typer av säkerhetsåtgärder och skyddsutrustning som är standard vid hantering av flyktiga organiska kemikalier skulle vara opraktiska.

Vardagsmiljöer

"Där människor skriver inte alltid är i kemiskt säkra miljöer, sa John Reynolds, en professor vid Georgia Techs skolor för kemi och biokemi och materialvetenskap och teknik. Så Reynolds och studiens första författare Brian Schmatz, som kom på den vattenbaserade metoden, bestämde sig för att göra elektrokroma filmfärger säkrare för vardagliga miljöer.

Det fanns några hinder för att klara det. Den färdiga produkten måste fungera elektriskt jämförbar med filmer som appliceras i ett organiskt lösningsmedel, och även vara vattentålig trots den vattenbaserade produktionen. Schmatz metod behövde också vara logistiskt och ekonomiskt realistisk för producenterna att implementera.

Forskarna publicerade detaljer om deras lösning och hur den har uppfyllt kriterierna i tidskriften ACS Central Science den 16 augusti, 2017. Skulle den kemiska processen gå vidare till produktion, framtiden kan se fler fönster, receptbelagda glasögon, eller till och med textilier som växlar mellan färger och nyanser av mörker med ett knapptryck eller med hjälp av en ljusavkännande strömbrytare.

Det är så många självdämpande backspeglar fungerar:helljuset från bilisten bakom dig träffar en ljussensor som lägger ett milt elektriskt fält på spegeln, och det aktiverar färgbytet, eller elektrokrom, filma, som växlar till en mörkare nyans.

Elektrokemisk regnbåge

Reynolds labs elektrokroma filmer är gjorda med konjugerade polymerer, färgglada och elektroaktiva organiska molekyler. De släpper lätt några av sina mer löst fästa elektroner, och när de gör det, deras färger skiftar.

Om de färgade filmerna är på en klar yta, när färgen försvinner, ytan blir klar. Ytan måste vara ledande så att en liten spänning (cirka 1 volt) kan appliceras för att stöta bort elektronerna från den konjugerade polymeren eller hjälpa dem att hoppa tillbaka på.

Nyanserna behöver inte vara grå, blå, brun, eller på annat sätt raksnörade. "Vi kan göra vilken färg som helst, " sa Reynolds.

'Toxisk, ''cancerframkallande'

På grund av tidigare bläcks organiska lösningsmedel, att använda elektrokroma filmer i det förflutna har ställts med betydande säkerhetskrav. Deras kostnader kan bli oöverkomliga om jobbet är stort, säga, om ett företag ville täcka fönstren i en kontorsbyggnad med en elektrokromisk film.

"De flesta forskningslaboratorier använder klorbensen som lösningsmedel. Det är ganska giftigt. Det är cancerframkallande, lite flyktig också, " sa Schmatz. "Så, det är inget folk vill arbeta med i stor skala."

Också, människor kan helt enkelt tycka att lukten av en organisk kemikalie på sin arbetsplats är obehaglig. Exempel på lukter av organiska lösningsmedel som de flesta har upplevt är fotogen, bensin, eller sprit.

Organiskt sedan vattenhaltigt

Vatten som lösningsmedel är mycket säkrare, men det kan innebära andra utmaningar. Konjugerade polymerer produceras i organiska lösningsmedel och löser sig inte i sig i vatten. Också, filmer som är tryckta av vattenbaserat bläck kan sköljas ut i regn eller fläckas i hög luftfuktighet.

Schmatz uppfinning kombinerar det bästa från två världar genom att använda ett organiskt lösningsmedel och ett vattenhaltigt lösningsmedel i faser.

Först, den konjugerade polymeren tillverkas i ett organiskt lösningsmedel för att säkerställa att kvalitetsmaterial tillverkas. Det är också i linje med kemisk industris praxis.

"Kemiska företag gör verkligen mycket av den här typen av bearbetning, och det är fördelaktigt att behålla detta som det är, så att företagen kan fortsätta göra vad de gör och lägga till den här produkten lättare, " sa Schmatz.

Men sedan ändrar Schmatz den konjugerade polymeren – bläckets aktiva ingrediens, så att säga - som vanligtvis inte är vattenlösligt, så att det verkligen kommer att lösas upp i vatten.

"Vi bäddar in en kemisk trigger i polymeren. Den aktiveras genom en vattentvätt med högt pH, och som omvandlar den organiskt lösliga polymeren till en vattenlöslig polyelektrolyt, ", sa han. "Anledningen till att vi vill göra allt detta är att vi kan producera polymeren i ett organiskt lösningsmedel, men skriv sedan ut polymeren från ett vattenbaserat bläck."

Ultraviolett klyv

För att säkerställa att filmen inte smetar eller rinner efter utskrift och att den fungerar bra när den är klar, Schmatz klyver bort den tillsatta kemiska triggern från den konjugerade polymeren genom att lysa ultraviolett ljus på den elektrokroma filmen.

Den vattenlösliga kemikaliekedjan blir då en enkel rest som kan torkas eller sköljas bort. Det som finns kvar är en robust, ren konjugerad polymerfilm, som inte längre kan lösas upp i vatten eller organiska lösningsmedel.

Reynolds föreställer sig elektrokroma filmer på olika material, inklusive något annat än glas eller plast. "Du kan använda detta för att kamouflage, till exempel, med rätt textilier, och har en sensor ansluten till ett batteri, och låt den byta färger för att matcha den föränderliga ljusheten eller mörkret i en soldats omgivning."

Förutom elektrokromik, dessa konjugerade polymerer undersöks också för tryckta transistorer, solceller, kemiska och biosensorer, ljusavgivande displayer och bioelektronik. Reynolds grupp har tillgång till ett antal leveransmetoder för att testa applicering av konjugerade polymerer.

"Georgia Tech är ett fokuserat ingenjörsuniversitet och har applikationsmöjligheter som du kan hitta här, "Reynolds sa." De olika metoderna för utskrift eller sprutning finns här - airbrush, bladbeläggare, bläckstråle. Och om vi inte har något, vi kan bygga det här. "