Form- und Farbveränderungen sind für viele Tiere wichtige Überlebensmerkmale. Chamäleons können ihren Körper verändern, um sich vor Raubtieren zu verstecken, ihre Stimmungen widerzuspiegeln oder sogar ihr Territorium zu verteidigen, während einige tierähnliche Kraken, Tintenfische und Tintenfische mit weichem Körper sowohl ihre Farbe als auch ihre Form ändern können, um Signale zu geben oder sich zu tarnen.
Die Nachahmung dieser Fähigkeiten mithilfe künstlicher Polymermaterialien birgt großes Potenzial für die Sensorik, die Soft-Robotik sowie die Mode- und Kunstindustrie. Während ihrer Forschung promovierte Ph.D. Kandidat Pei Zhang hat einige unglaubliche Farb- und Formänderungsfähigkeiten in Polymermaterialien erkannt.
Im Rahmen ihres Ph.D. Forschung hat Pei Zhang entwickelt vielseitige Techniken zur Herstellung sogenannter Flüssigkristallelastomerekurz LCEs, die sowohl strukturelle Farbveränderungen als auch Formänderungseigenschaften aufweisen, die denen ähneln, die bei Tieren wie Chamäleons und Kraken beobachtet werden.
„Das Tierreich ist voll von Arten, die über unglaubliche Fähigkeiten verfügen, insbesondere über die Fähigkeit, Farben und Formen zu verändern“, sagt Zhang. „Die Natur hat uns gezeigt, dass Farb- und Formänderungen möglich sind. Deshalb haben wir zusammen mit meinen Kollegen verschiedene Methoden entwickelt, um einige dieser Fähigkeiten im Labor in Polymermaterialien zu reproduzieren.“
Die von Zhang und ihren Kollegen entwickelten LCEs reagieren auf verschiedene äußere Reize wie Temperaturänderungen, mechanische Verformung durch Dehnung und Änderungen der Beleuchtung.
Beschichtungen
Für ihre Forschung stellte Zhang temperaturempfindliche cholesterische LCE-Beschichtungen her und erzeugte in diesen Beschichtungen strukturelle Farbmuster. Die Strukturfarbe entsteht durch die periodische Struktur des Materials, das Licht reflektiert. Um diesen Effekt zu erzielen, wurde kein Pigment hinzugefügt.
Durch Auflegen einer weiteren weichen Polymerträgerschicht auf die LCE-Beschichtungen können diese cholesterischen LCE-Dünnfilme manuell gedehnt werden. Bei der Dehnung zeigen diese Folien dann einen Farbumschlag von Orange nach Blau.
Die Strukturfarbe des Musters ist so vorbereitet, dass sie im ungedehnten Zustand der Folie das Nahinfrarotspektrum widerspiegelt. Das bedeutet, dass die Strukturfarbe für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Erst wenn das Material gedehnt wird, zeigt es ein vorprogrammiertes Muster, wobei sich die reflektierte Lichtwellenlänge in das sichtbare Spektrum verschiebt und das Muster dann sichtbar wird. Dieser Vorgang wird als Mechanochromie bezeichnet.
Dieses bemerkenswerte Material birgt großes Potenzial, wenn es als mechanochromer Aufkleber zur Erkennung der Verformung eines Substrats eingesetzt wird. Es bietet beispielsweise direktes visuelles Feedback und eignet sich daher für Anwendungen in medizinischen Textilien zur Überwachung des auf Wunden ausgeübten Drucks sowie in Decken und Fenstern zur Überwachung der Sicherheitsbedingungen in Gebäuden.
Zhang schuf außerdem einen 3D-förmigen „Käfer“ und einen 3D-förmigen „Tintenfisch“, die ihre Farbe von Grün zu Rot ändern, wenn sie erhitzt werden, und ihre Körperform ändern, wenn sie nahem Infrarotlicht ausgesetzt werden.
„Bestimmte Käfer weisen die bemerkenswerte Fähigkeit auf, ihre Körperfarben zu verändern, und ich habe gezeigt, dass es möglich ist, dieses Phänomen in künstlichen Polymermaterialien zu reproduzieren“, sagt Zhang. „Durch die Schaffung eines 3D-„Käfers“ im Labor habe ich gezeigt, dass diese Fähigkeit zur Farbänderung tatsächlich nachgeahmt werden kann. Bemerkenswert ist, dass mein „Käfer“ das ursprüngliche Konzept übertrifft, indem er auch die Fähigkeit besitzt, seine Körperform zu verändern. I Außerdem wurde ein 3D-„Tintenfisch“ erstellt, um sowohl Form- als auch Farbanpassungen zu imitieren, die bei verschiedenen Tieren mit weichem Körper beobachtet wurden.“
Die in Zhangs Arbeit zur Herstellung strukturell gefärbter LCEs verwendeten Methoden bilden die Grundlage für einen vielseitigen Werkzeugkasten für das Design und die Produktion funktionaler Polymermaterialien.
Zukünftige Richtungen
Hinsichtlich der zukünftigen Verwendung dieser Materialien hat Zhang eine Reihe von Ambitionen.
„Obwohl die von mir entwickelten Materialien in der Soft-Robotik und als Dehnungssensoren in intelligenten Textilien eingesetzt werden könnten und vielversprechend sind, würde ich mir auch wünschen, dass die psychologischen und ästhetischen Aspekte dieser Materialien im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion erforscht werden.“ „, sagt der Forscher.
„Dies könnte einem Produkt mehr visuelle Interaktivität verleihen, was das Benutzererlebnis und die Zugänglichkeit eines Produkts verbessern könnte. Darüber hinaus ist die Integration dieser Materialien in die Modebranche eine weitere spannende Möglichkeit, beispielsweise die Herstellung von reaktionsfähigem Schmuck, der sein Erscheinungsbild an das des Trägers anpasst.“ Anforderungen.“
Mehr Informationen:
Strukturell gefärbte Flüssigkristall-Elastomer-Aktuatoren. Research.tue.nl/en/publication … -elastomer-aktuatoren