Auf farbigen Polymeren basierende optische Indikatoren sind autonom reagierende Markierungen, die ein optisches Signal liefern, um eine bestimmte Exposition im Laufe der Zeit darzustellen. Polymere mit einem hohen Ordnungsgrad können eine Strukturfarbe aufbauen, die durch die Wechselwirkung von Licht mit einer periodischen Nanostruktur entsteht, wodurch eine bestimmte Wellenlänge reflektiert wird. Diese optischen Eigenschaften können zur Herstellung von batterielosen Indikatoren genutzt werden, die Farbänderungen zeigen, wenn sie einem Stimulus ausgesetzt werden.
Für seinen Ph.D. Forschung, Ir. Yari Foelen, erforschte neuartige Merkmale und Reaktionsmodi für chemische Indikatoren und Zeit-Temperatur-Integratoren auf der Basis von cholesterischen Flüssigkristallpolymeren. Diese optischen Indikatoren können als Erkennungssystem für unsichere Zustände oder als Alternative für statische Verfallsdaten für Lebensmittel und pharmazeutische Produkte dienen.
In Farben sprechen
Gibt es ein Signal, das einfacher zu interpretieren ist als Farbe? Unsere Augen nehmen optische Signale intuitiv wahr und assoziieren unbewusst bestimmte Gefühle oder Interpretationen mit verschiedenen Farben. Ampeln zeigen, wie universell der Einsatz von Farbe als Signal ist. Die nächste Generation von Trackern und Indikatoren ist nicht elektronisch und besteht daher aus Materialien, die eine autonome Reaktion auf einen Stimulus liefern. Eines dieser Materialien sind cholesterische Flüssigkristallpolymere, die eine beispiellose Vielseitigkeit bieten, um einen reaktionsfähigen Indikator zu entwerfen.
Flüssigkristallpolymere bestehen aus Molekülen mit flüssigkristallinen Eigenschaften, was aufgrund ihrer Anisotropie eine Ordnung in der Ausrichtung dieser Moleküle ermöglicht. Die genaue Zusammensetzung dieser Moleküle definiert die reflektierte Wellenlänge, um die makellose Farbe zu spezifizieren. Durch molekulares Engineering können funktionelle Endgruppen in die Polymere eingebettet werden, um eine chemische oder Temperaturreaktion einzufügen.
Erfassen und erzählen
Ein Ansatz entwickelte einen Sicherheitsindikator, der ein Nervengas-Simulans in einem cholesterischen Flüssigkristallpolymer einfängt. „Dieses Dekontaminationsgerät quillt auf, wenn Organophosphatdämpfe, die in der chemischen Kriegsführung und in Pestiziden verwendet werden, absorbiert werden. Bei Umgebungsbedingungen werden diese Dampfmoleküle im photonischen Absorptionsmittel zurückgehalten, ohne an die Umgebung abgegeben zu werden. Gleichzeitig ändert sich die reflektierte Farbe des Polymers entsprechend der absorbierte Menge, die auf das Vorhandensein des Nervenkampfstoffs hinweist“, sagt Yari. Das zugrunde liegende Prinzip kann bei der Neutralisierung anderer Gase und der Beseitigung schlechter Gerüche angewendet werden.
Drucken Sie mit Intensität
Als nächstes demonstrierte Yari Foelen, wie die UV-Intensität während der Photopolymerisation es ermöglicht, die reflektierte Farbe einer cholesterischen Flüssigkristallpolymerbeschichtung zu steuern: Eine einfache Methode, bei der ein Intensitätsfilter angewendet wurde, um mehrfarbige Bilder in einem Polymerisationsschritt zu erzeugen. Gleichzeitig wird die Glasübergangstemperatur des Polymers durch die angelegte UV-Intensität eingestellt. „Diese Funktion erhöht die Vielseitigkeit in Bezug auf Design und Reaktion von Formgedächtnis-Zeit-Temperatur-Indikatoren. Jetzt ist es möglich, während der Verarbeitung eine Nachricht oder ein Bild einzuprägen, um eine klare Reaktion zu erhalten“, sagt Yari.
Visualisieren Sie den Expositionsverlauf
Neue Indikatorreaktionsmechanismen wurden durch synthetisierte Moleküle erreicht, um nicht-kovalente vernetzte Polymere zu erzeugen. Diese photonischen Polymere etablierten zeit-temperaturabhängige Farbänderungen, um die Temperatureinwirkung über die Zeit zu verfolgen. „Zuerst haben wir herausgefunden, wie wir den Phasenübergang ausnutzen können, um einen dauerhaften Farbverlust herbeizuführen“, erklärt Yari. „Dies geschieht, während sie den Bedingungen ausgesetzt werden, die für eine erfolgreiche Dampfsterilisation in einem Autoklaven erforderlich sind.“
Er fährt mit der Entwicklung dieses Konzepts fort: „Die Temperaturreaktion eines supramolekular vernetzten Polymers wurde verändert, um auf niedrigere Temperaturen durch Änderungen in der chemischen Zusammensetzung zu reagieren. Mit diesem neuen System erreichten wir eine zusätzliche Reaktion, bereits bei Raumtemperatur, ohne einen Phasenübergang durchmachen.“
Schon bald können leicht zu interpretierende visuelle Indikatoren zu einem bewussteren Lager- und Konsummanagement von Arzneimitteln und Lebensmitteln beitragen, wodurch Abfall und die Belastung wertvoller Ressourcen reduziert werden. Zukünftige Forschungsbemühungen werden bestehende Systeme so anpassen, dass sie genau den Anforderungen spezifischer Anwendungen entsprechen.