Una struttura elicoidale ha due lati (superfici). Se un lato è materiale A e l'altro lato è materiale B, è possibile attraversare ininterrottamente il difetto rimanendo all'interno dello strato A senza attraversare lo strato B. Credito:Texas A&M Engineering
Il Dr. Edwin L. Thomas, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e un team di ricercatori della Texas A&M University e della Yonsei University hanno recentemente scoperto un difetto a forma elicoidale nei polimeri stratificati, scoprendo come i solventi possono diffondersi attraverso gli strati e produrre cambia colore.
Questa ricerca è stata recentemente pubblicata su Science Advances.
In alcuni dispositivi elettronici interattivi per l'uomo, come misuratori di temperatura o sensori di salute, vengono utilizzati polimeri in grado di cambiare colore a seconda degli stimoli. Questo fenomeno è indicato come colori strutturali stimolo-interattivi perché il materiale reagisce e cambia colore a causa di cambiamenti ambientali, come un solvente o una soluzione.
Un materiale che ha una struttura periodica unidimensionale composta da due strati (A e B) agisce come un cristallo fotonico e può riflettere la luce di una data lunghezza d'onda (colore) a seconda dello spessore di ogni strato. Il colore strutturale stimolante interattivo funziona alterando i cristalli fotonici utilizzando stimoli o forze esterne. Lo spessore di ogni strato di polimero influisce sul colore della luce riflessa:se tutti gli strati di un materiale hanno lo stesso spessore, verrà riflesso un solo colore. Se parti diverse del materiale sono composte da pile di strati, ciascuno con uno spessore diverso, ogni strato rifletterà un colore diverso e il materiale apparirà come un normale materiale metallico, riflettendo tutti i colori.
In alcuni casi, viene utilizzato un solvente preferenziale per rigonfiare uno dei particolari strati polimerici, provocando volutamente variazioni di colore. I ricercatori hanno notato che gli strati previsti si stavano gonfiando in questi materiali. Tuttavia, non era chiaro come il solvente filtrasse/attraversasse strati che non si gonfiavano fino a diventare quelli che avrebbero dovuto gonfiarsi.
"Diciamo di mettere un solvente su più strati di polimero A e B", ha detto Thomas. "Il primo strato A si gonfia, lo strato B non si gonfia, ma lo strato successivo A lo farà. In che modo il secondo strato di solvente A passa attraverso lo strato B? Ci siamo resi conto che ci deve essere qualcosa nella struttura complessiva del polimero che consente il passaggio del solvente agli altri strati."
Per capire cosa stava accadendo all'interno dei polimeri, i ricercatori hanno utilizzato un raggio di elettroni per sviluppare un tomogramma, una tecnica di ricostruzione che prende immagini molto sottili e bidimensionali di sezioni di oggetti 3D per scoprire cosa c'è dentro.
«Supponiamo di avere una pagnotta e di voler sapere se c'è un buco da qualche parte nella pagnotta», disse Thomas. "Se l'avessi affettato sottile, alla fine avresti colpito il buco. Continui ad affettare e poi il buco scomparirebbe. Se guardassi tutte le fette, potresti capire esattamente dove si trovano i buchi. Questo processo è simile all'idea di un tomografo."
Usando questo metodo, i ricercatori hanno scoperto che all'interno del materiale del cristallo fotonico polimerico, erano presenti dislocazioni (difetti) della vite elicoidale, che consentono al solvente di attraversare facilmente e rapidamente diversi strati, causando il gonfiore e producendo i cambiamenti di colore strutturali interattivi con gli stimoli.
Tipicamente, i difetti sono associati ad alta energia e sono singolari (interrompendo bruscamente la periodicità che si verifica in una posizione). Al contrario, i difetti elicoidali non sono singolari e si formano spontaneamente, un vantaggio per i materiali.
"Questo è un buon tipo di difetto che aiuta le proprietà e consente una penetrazione rapida ed efficiente nel materiale con solvente e un rapido rigonfiamento. Se queste cose non esistessero, l'unico modo in cui gli strati potrebbero sudare sarebbe dai bordi", ha affermato Thomas .
Poiché il colore strutturale stimolo-interattivo presenta un eccellente potenziale per dispositivi come sensori sanitari ed elettronica interattiva umana, il controllo della spaziatura laterale o della quantità di difetti elicoidali potrebbe essere un fattore critico nelle applicazioni future.
"Questi difetti attualmente producono un effetto favorevole, ma dipende dall'applicazione", ha affermato. "La nostra prossima sfida è decifrare come controllare la spaziatura e la quantità di questi difetti e, a sua volta, avere un maggiore controllo sul tempo necessario affinché il fluido si muova attraverso gli strati. Comprendere questi difetti è la chiave per aumentare il numero di applicazioni questo la tecnologia può essere utilizzata." + Esplora ulteriormente
