(Phys.org)—Materialforskare vid Rice University och Massachusetts Institute of Technology (MIT) har skapat mycket tunna färgskiftande filmer som kan fungera som en del av billiga sensorer för matförstöring eller säkerhet, optiska multibandselement i laserdrivna system och även som en del av högkontrastskärmar.

Det nya arbetet som leds av Rice materialforskaren Ned Thomas kombinerar polymerer till en unik, självmonterat metamaterial som, när de utsätts för joner i en lösning eller i miljön, ändrar färg beroende på jonernas förmåga att infiltrera de hydrofila (vattenälskande) lagren.

Forskningen publicerades i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

Det mikrontjocka materialet som kallas en fotonisk gel, mycket tunnare än ett människohår, är så billigt att göra det, Thomas sa, "Vi skulle kunna täcka ett område lika stort som en fotbollsplan med den här filmen för ungefär hundra dollar."

Men för praktiska tillämpningar, mycket mindre bitar skulle duga. "Anta att du vill ha en matsensor, sa Thomas, William och Stephanie Sick dekanus vid Rices George R. Brown School of Engineering och tidigare ordförande för Institutionen för materialvetenskap och teknik vid MIT. "Om det är inuti en förseglad förpackning och miljön i den förpackningen förändras på grund av kontaminering eller åldrande eller exponering för temperatur, en inspektör skulle se att sensorn ändras från blå till röd och vet omedelbart att maten är bortskämd."

Sådana visuella signaler är bra, han sa, "speciellt när du behöver titta på många av dem. Och du kan läsa dessa sensorer med lågteknologi, antingen med dina egna ögon eller en spektrofotometer för att skanna saker."

Filmerna är gjorda av nanoskala lager av hydrofob polystyren och hydrofil poly(2-vinylpyridin). I den flytande lösningen, polymermolekylerna är diffusa, men när vätskan appliceras på en yta och lösningsmedlet avdunstar, blocksampolymermolekylerna självmonterar till en skiktad struktur.

Polystyrenmolekylerna klumpar ihop sig för att hålla vattenmolekyler ute, medan poly(2-vinylpyridin), P2VP för kort, bildar sina egna lager mellan polystyrenen. På ett underlag, skikten formas till en genomskinlig stapel av omväxlande "nano-pannkakor". "Det fina med självmontering är att det är samtidigt, alla lager bildas på en gång, sa Thomas.

Forskarna exponerade sina filmer för olika lösningar och hittade olika färger beroende på hur mycket lösningsmedel som togs upp av P2VP-skikten. Till exempel med en klor/oxid/järnlösning som inte lätt absorberas av P2VP, filmen är genomskinlig, sa Thomas. "När vi tar ut det, tvätta filmen och ta in en ny lösning med en annan jon, färgen ändras."

Forskarna förvandlade gradvis en klar film till blå (med tiocyanat), till grön (jod), till gul (nitrat), till orange (brom) och slutligen till rött (klor). I varje fall, förändringarna var reversibla.

Thomas förklarade att det direkta utbytet av motjoner från lösningen till P2VP expanderar dessa skikt och skapar ett fotoniskt bandgap - ljusekvivalenten till ett halvledande bandgap - som tillåter färg i en specifik våglängd att reflekteras. "Våglängderna i det fotoniska bandgapet är förbjudna att fortplanta sig, " han sa, vilket gör att gelerna kan ställas in för att reagera på specifika sätt.

"Föreställ dig en solid där du skapar ett bandgap överallt utom längs en 3D-bana, och låt oss säga att vägen är en snävt definierad region som du kan tillverka inom detta annars fotoniska material. När du väl sätter ljus på den vägen, det är förbjudet att lämna eftersom det inte kan komma in i materialet, på grund av bandgapet.

"Detta kallas att forma ljusflödet, " sa han. "Dessa dagar inom fotonik, människor tänker på ljus som om det vore vatten. Det är, du kan lägga den i dessa små rör. Du kan vända ljus runt hörn som är mycket skarpa. Du kan lägga den var du vill, förvara den där du inte vill ha den. VVS av ljus har varit mycket lättare än tidigare, på grund av fotonik, och i fotoniska kristaller, due to band gaps."