alternato, strati di dimensioni nanometriche di molecole idrofile e idrofobe si autoassemblano in un copolimero a blocchi chiamato gel fotonico, sviluppato alla Rice University e al Massachusetts Institute of Technology. Cambia colore a seconda della quantità di acqua assorbita dagli strati idrofili, che può essere regolato dal solvente utilizzato. Credito:Thomas Lab/Rice University
(Phys.org)—Gli scienziati dei materiali della Rice University e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno creato pellicole molto sottili che cambiano colore che possono fungere da sensori economici per il deterioramento o la sicurezza degli alimenti, elementi ottici multibanda in sistemi a guida laser e anche come parte di display ad alto contrasto.
Il nuovo lavoro condotto dallo scienziato dei materiali di Rice Ned Thomas combina i polimeri in un unico, metamateriale autoassemblato che, quando esposto a ioni in una soluzione o nell'ambiente, cambia colore a seconda della capacità degli ioni di infiltrarsi negli strati idrofili (amante dell'acqua).
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
Il materiale spesso micron chiamato gel fotonico, molto più sottile di un capello umano, è così economico farlo, Tommaso ha detto, "Potremmo coprire un'area delle dimensioni di un campo di calcio con questo film per circa cento dollari".
Ma per le applicazioni pratiche, pezzi molto più piccoli andrebbero bene. "Supponiamo di volere un sensore alimentare, "disse Tommaso, William e Stephanie Sick Dean della George R. Brown School of Engineering di Rice ed ex presidente del Department of Materials Science and Engineering al MIT. "Se è all'interno di una confezione sigillata e l'ambiente in quella confezione cambia a causa della contaminazione, dell'invecchiamento o dell'esposizione alla temperatura, un ispettore vedrebbe che il sensore cambia da blu a rosso e saprebbe immediatamente che il cibo è andato a male."
Un gel fotonico sviluppato alla Rice University e al Massachusetts Institute of Technology si autoassembla da lunghe molecole polimeriche. Polistirene e poli(2-vinil piridina) vengono miscelati in una soluzione che, quando evaporato, consente ai polimeri di formarsi rapidamente in strati di dimensioni nanometriche. Gli strati possono essere regolati per riflettere colori specifici quando esposti a particolari sostanze chimiche. Credito:Joseph Walish/MIT
Tali segnali visivi sono buoni, Egli ha detto, "soprattutto quando devi guardarne molti. E puoi leggere questi sensori con una bassa tecnologia, o con i tuoi occhi o con uno spettrofotometro per scansionare le cose."
I film sono costituiti da strati su scala nanometrica di polistirene idrofobo e poli(2-vinil piridina) idrofilo. Nella soluzione liquida, le molecole polimeriche sono diffuse, ma quando il liquido viene applicato su una superficie e il solvente evapora, le molecole di copolimero a blocchi si autoassemblano in una struttura a strati.
Le molecole di polistirene si aggregano per tenere fuori le molecole d'acqua, mentre la poli(2-vinil piridina), P2VP in breve, forma i propri strati tra il polistirolo. Su un substrato, gli strati si formano in una pila trasparente di "nano-pancake" alternati. "Il bello dell'autoassemblaggio è che è simultaneo, tutti gli strati che si formano in una volta, " disse Tommaso.
I ricercatori hanno esposto i loro film a varie soluzioni e hanno trovato colori diversi a seconda della quantità di solvente assorbita dagli strati P2VP. Ad esempio con una soluzione di cloro/ossido/ferro che non viene prontamente assorbita dal P2VP, la pellicola è trasparente, disse Tommaso. "Quando lo togliamo, lavare il film e introdurre una nuova soluzione con uno ione diverso, il colore cambia".
I ricercatori hanno progressivamente trasformato una pellicola trasparente in blu (con tiocianato), al verde (iodio), al giallo (nitrato), all'arancione (bromo) e infine al rosso (cloro). In ogni caso, le modifiche erano reversibili.
Un gel fotonico sviluppato alla Rice University è stato sottoposto a una serie di cambiamenti di colore quando ripetutamente lavato ed esposto a nuovi composti. I gel mostrano il potenziale per sensori e filtri economici. Credito:Thomas Lab/Rice University
Thomas ha spiegato che lo scambio diretto di controioni dalla soluzione al P2VP espande quegli strati e crea un gap di banda fotonico, l'equivalente di luce di un gap di banda semiconduttore, che consente di riflettere il colore in una specifica lunghezza d'onda. "Le lunghezze d'onda in quella banda proibita fotonica hanno il divieto di propagarsi, " Egli ha detto, che consente ai gel di essere sintonizzati per reagire in modi specifici.
"Immagina un solido in cui crei un intervallo di banda ovunque ma lungo un percorso 3D, e diciamo che il percorso è una regione strettamente definita che puoi fabbricare all'interno di questo materiale altrimenti fotonico. Una volta che hai messo la luce in quel percorso, è vietato uscire perché non può entrare nel materiale, a causa del gap di banda.
"Questo si chiama modellare il flusso di luce, " ha detto. "In questi giorni in fotonica, le persone pensano alla luce come se fosse acqua. Questo è, puoi metterlo in questi minuscoli tubi. Puoi accendere la luce intorno agli angoli molto nitidi. Puoi metterlo dove vuoi, tienilo da dove non lo vuoi. L'impianto idraulico della luce è stato molto più semplice che in passato, grazie alla fotonica, e nei cristalli fotonici, a causa di band gap."
