Ein guter Defekt? Forscher entdecken spiralförmige Schraubenversetzungen in geschichteten Polymeren

Dr. Edwin L. Thomas, Professor am Department of Materials Science and Engineering, und ein Team von Forschern der Texas A&M University und der Yonsei University haben kürzlich einen spiralförmigen Defekt in geschichteten Polymeren entdeckt und dabei aufgedeckt, wie Lösungsmittel durch Schichten diffundieren und produzieren können Farbänderungen.

Diese Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

In einigen menschlich-interaktiven Elektronikgeräten wie Temperaturmessgeräten oder Gesundheitssensoren werden Polymere verwendet, die in der Lage sind, die Farbe je nach Stimuli zu ändern. Dieses Phänomen wird als Stimuli-interaktive Strukturfarben bezeichnet, da das Material aufgrund von Umgebungsänderungen, wie z. B. einem Lösungsmittel oder einer Lösung, reagiert und seine Farbe ändert.

Ein Material, das eine eindimensionale periodische Struktur hat, die aus zwei Schichten (A und B) besteht, wirkt wie ein photonischer Kristall und kann Licht einer bestimmten Wellenlänge (Farbe) abhängig von der Dicke jeder Schicht reflektieren. Stimuli-interaktive Strukturfarbe funktioniert durch Veränderung photonischer Kristalle unter Verwendung externer Stimuli oder Kräfte. Die Dicke jeder Polymerschicht beeinflusst die Farbe des reflektierten Lichts: Wenn alle Schichten in einem Material gleich dick sind, wird eine einzige Farbe reflektiert. Wenn verschiedene Teile des Materials aus Stapeln von Schichten mit jeweils unterschiedlicher Dicke bestehen, reflektiert jede Schicht eine andere Farbe und das Material erscheint wie ein normales Metallmaterial, das alle Farben reflektiert.

In einigen Fällen wird ein bevorzugtes Lösungsmittel verwendet, um eine der bestimmten Polymerschichten zu quellen, wodurch gezielt Farbänderungen verursacht werden. Die Forscher bemerkten, dass die erwarteten Schichten in diesen Materialien quellen. Es war jedoch unklar, wie das Lösungsmittel durch nicht quellende Schichten sickerte/durchdrang zu denen, die quellen sollten.

„Nehmen wir an, wir geben ein Lösungsmittel über mehrere Polymer-A- und -B-Schichten“, sagte Thomas. „Die erste A-Schicht quillt, die B-Schicht quillt nicht, aber die nächste Schicht A wird. Wie kommt die zweite Schicht aus Lösungsmittel A durch die B-Schicht? Wir haben erkannt, dass es etwas in der gesamten Polymerstruktur geben muss, das dies zulässt Durchgang von Lösungsmittel zu den anderen Schichten.“

Um zu verstehen, was in den Polymeren passierte, verwendeten die Forscher einen Elektronenstrahl, um ein Tomogramm zu entwickeln – eine Rekonstruktionstechnik, die sehr dünne, zweidimensionale Bilder von Abschnitten von 3D-Objekten aufnimmt, um das Innere freizulegen.

„Angenommen, Sie hätten einen Laib Brot und wollten wissen, ob irgendwo im Laib ein Loch ist“, sagte Thomas. „Wenn Sie es dünn schneiden würden, würden Sie schließlich das Loch treffen. Sie schneiden weiter, und dann würde das Loch verschwinden. Wenn Sie sich alle Scheiben ansehen, könnten Sie genau verstehen, wo die Löcher sind. Dieser Prozess ähnelt der Idee eines Tomographen.“

Mit dieser Methode stellten die Forscher fest, dass innerhalb des polymeren photonischen Kristallmaterials spiralförmige Schraubenversetzungen (Defekte) vorhanden waren, die es dem Lösungsmittel ermöglichten, leicht und schnell zu verschiedenen Schichten zu gelangen, was das Quellen verursachte und die stimuli-interaktiven strukturellen Farbänderungen erzeugte.

Typischerweise sind Defekte mit hoher Energie verbunden und sind singulär (unterbrechen abrupt die Periodizität, die an einer Stelle auftritt). Im Gegensatz dazu sind die spiralförmigen Defekte nicht singulär und spontan entstanden – ein Vorteil für die Materialien.

„Dies ist eine gute Art von Defekt, der den Eigenschaften zugute kommt und ein schnelles und effizientes Eindringen in das Material mit Lösungsmittel und schnellem Quellen ermöglicht. Wenn es diese Dinge nicht gäbe, könnten die Schichten nur an den Rändern schwitzen“, sagte Thomas .

Da Stimuli-interaktive Strukturfarbe ein hervorragendes Potenzial für Geräte wie Gesundheitssensoren und Mensch-interaktive Elektronik darstellt, könnte die Kontrolle des seitlichen Abstands oder der Menge an spiralförmigen Defekten ein kritischer Faktor in zukünftigen Anwendungen sein.

„Diese Defekte wirken sich derzeit günstig aus, aber das hängt von der Anwendung ab“, sagte er. „Unsere nächste Herausforderung besteht darin, zu entschlüsseln, wie der Abstand und die Menge dieser Defekte kontrolliert werden können, und wiederum mehr Kontrolle über die Zeit zu haben, die die Flüssigkeit benötigt, um sich durch die Schichten zu bewegen. Das Verständnis dieser Defekte ist der Schlüssel zur Erhöhung der Anzahl von Anwendungen dafür Technologie eingesetzt werden kann.“