En helicoid struktur har två sidor (ytor). Om den ena sidan är material A och den andra sidan är material B, är det möjligt att transversera oavbrutet längs defekten som stannar inom A-skiktet utan att korsa genom B-skiktet. Kredit:Texas A&M Engineering
Dr Edwin L. Thomas, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik, och ett team av forskare från Texas A&M University och Yonsei University har nyligen upptäckt en spiralformad defekt i skiktade polymerer, som avslöjar hur lösningsmedel kan diffundera genom skikten och producera färgförändringar.
Denna forskning publicerades nyligen i Science Advances.
I viss mänskligt interaktiv elektronik, såsom temperaturmätare eller hälsosensorer, används polymerer som kan ändra färg beroende på stimuli. Detta fenomen kallas stimuli-interaktiva strukturella färger eftersom materialet reagerar och ändrar färg på grund av miljöförändringar, såsom ett lösningsmedel eller lösning.
Ett material som har en endimensionell periodisk struktur som består av två (A och B) lager fungerar som en fotonisk kristall och kan reflektera ljus av en given våglängd (färg) beroende på tjockleken på varje lager. Stimuli-interaktiv strukturell färg fungerar genom att förändra fotoniska kristaller med hjälp av externa stimuli eller krafter. Tjockleken på varje polymerskikt påverkar färgen på det reflekterade ljuset:Om alla skikt i ett material är av samma tjocklek kommer en enda färg att reflekteras. Om olika delar av materialet är sammansatta av staplar av lager, som var och en har olika tjocklek, kommer varje lager att reflektera en annan färg och materialet kommer att se ut som ett vanligt metallmaterial och reflektera alla färger.
I vissa fall används ett föredraget lösningsmedel för att svälla ett av de speciella polymerskikten, vilket medvetet orsakar färgförändringar. Forskarna märkte att de förväntade lagren svällde i dessa material. Det var dock oklart hur lösningsmedlet sipprade/korsade genom lager som inte svällde till de som skulle svälla.
"Låt oss säga att vi lägger ett lösningsmedel över flera polymer A- och B-lager," sa Thomas. "Det första A-lagret sväller, B-lagret sväller inte, men nästa lager A kommer att göra det. Hur kommer det andra lagret av lösningsmedel A genom B-lagret? Vi insåg att det måste finnas något i den övergripande polymerstrukturen som tillåter passage av lösningsmedel till de andra skikten."
För att förstå vad som hände i polymererna använde forskarna en elektronstråle för att utveckla ett tomogram - en rekonstruktionsteknik som tar mycket tunna, tvådimensionella bilder av sektioner av 3D-objekt för att avslöja vad som finns inuti.
"Anta att du hade ett bröd, och du ville veta om det fanns ett hål någonstans i limpan," sa Thomas. "Om du skivade det tunt, skulle du så småningom träffa hålet. Du fortsätter att skiva, och sedan skulle hålet försvinna. Om du tittade på alla skivor, kunde du förstå exakt var hålen är. Denna process liknar idén av en tomograf."
Med hjälp av denna metod fann forskarna att inom det polymera fotoniska kristallmaterialet fanns spiralformade skruvförskjutningar (defekter), vilket gör att lösningsmedlet lätt och snabbt kan passera igenom till olika lager, vilket orsakar svullnaden och producerar stimuli-interaktiva strukturella färgförändringar.
Typiskt är defekter förknippade med hög energi och är singulara (avbryter plötsligt periodiciteten som inträffar på en plats). Däremot är de helikoida defekterna icke-singulära och spontant bildade - en fördel för materialen.
"Det här är en bra typ av defekt som hjälper egenskaperna och tillåter snabb och effektiv penetrering i materialet med lösningsmedel och snabb svällning. Om dessa saker inte fanns, skulle det enda sättet som lagren kunde svettas vara från kanterna", säger Thomas .
Eftersom stimuli-interaktiva strukturella färger har en utmärkt potential för enheter som hälsosensorer och mänsklig interaktiv elektronik, kan kontroll av sidoavståndet eller mängden helikoida defekter vara en kritisk faktor i framtida tillämpningar.
"Dessa defekter ger för närvarande en gynnsam effekt, men det beror på applikationen", sa han. "Vår nästa utmaning är att dechiffrera hur man kontrollerar avståndet och mängden av dessa defekter, och i sin tur ha mer kontroll över den tid det tar för vätskan att röra sig genom lagren. Att förstå dessa defekter är nyckeln för att öka antalet applikationer detta teknik kan användas i." + Utforska vidare
