El Dr. Edwin L. Thomas, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y un equipo de investigadores de la Universidad de Texas A&M y la Universidad de Yonsei descubrieron recientemente un defecto de forma helicoidal en polímeros en capas, descubriendo cómo los solventes pueden difundirse a través de las capas y producir cambios de color

Esta investigación se publicó recientemente en Science Advances.

En algunos dispositivos electrónicos interactivos con humanos, como medidores de temperatura o sensores de salud, se utilizan polímeros que son capaces de cambiar de color según los estímulos. Este fenómeno se conoce como colores estructurales interactivos con estímulos porque el material reacciona y cambia de color debido a cambios ambientales, como un solvente o una solución.

Un material que tiene una estructura periódica unidimensional compuesta por dos capas (A y B) actúa como un cristal fotónico y puede reflejar luz de una determinada longitud de onda (color) dependiendo del grosor de cada capa. El color estructural interactivo con estímulos funciona alterando los cristales fotónicos utilizando estímulos o fuerzas externas. El grosor de cada capa de polímero afecta el color de la luz reflejada:si todas las capas de un material tienen el mismo grosor, se reflejará un solo color. Si diferentes partes del material están compuestas de pilas de capas, cada una con un grosor diferente, cada capa reflejará un color diferente y el material aparecerá como un material metálico normal, reflejando todos los colores.

En algunos casos, se usa un solvente preferencial para hinchar una de las capas de polímero en particular, causando cambios de color a propósito. Los investigadores notaron que las capas esperadas se hinchaban en estos materiales. Sin embargo, no estaba claro cómo se filtraba/cruzaba el solvente a través de las capas que no se hinchaban hacia aquellas que se suponía que se hincharían.

"Digamos que ponemos un solvente sobre múltiples capas de polímero A y B", dijo Thomas. "La primera capa A se hincha, la capa B no se hincha, pero la siguiente capa A sí lo hará. ¿Cómo pasa la segunda capa de solvente A a través de la capa B? Nos dimos cuenta de que debe haber algo en la estructura general del polímero que permita la paso de solvente a las otras capas."

Para comprender lo que estaba ocurriendo dentro de los polímeros, los investigadores utilizaron un haz de electrones para desarrollar un tomograma, una técnica de reconstrucción que toma imágenes bidimensionales muy delgadas de secciones de objetos 3D para descubrir lo que hay dentro.

"Supongamos que tiene una hogaza de pan y quiere saber si hay un agujero en algún lugar dentro de la hogaza", dijo Thomas. "Si lo cortas en rodajas finas, acabas golpeando el agujero. Sigues cortando y luego el agujero desaparece. Si miras todas las rodajas, puedes entender exactamente dónde están los agujeros. Este proceso es similar a la idea de un tomógrafo."

Usando este método, los investigadores encontraron que dentro del material de cristal fotónico de polímero, estaban presentes dislocaciones de tornillo helicoidal (defectos), lo que permitía que el solvente cruzara fácil y rápidamente a través de diferentes capas, causando la hinchazón y produciendo los cambios de color estructural interactivos con los estímulos.

Por lo general, los defectos están asociados con alta energía y son singulares (interrumpiendo abruptamente la periodicidad que ocurre en un lugar). Por el contrario, los defectos helicoidales no son singulares y se forman espontáneamente, una ventaja para los materiales.

"Este es un buen tipo de defecto que ayuda a las propiedades y permite una penetración rápida y eficiente en el material con solvente y un rápido hinchamiento. Si estas cosas no existieran, la única forma en que las capas podrían transpirar sería desde los bordes", dijo Thomas. .

Debido a que el color estructural interactivo con estímulos presenta un excelente potencial para dispositivos como sensores de salud y electrónica interactiva humana, controlar el espacio lateral o la cantidad de defectos helicoidales podría ser un factor crítico en aplicaciones futuras.

“Estos defectos actualmente producen un efecto favorable, pero depende de la aplicación”, dijo. "Nuestro próximo desafío es descifrar cómo controlar el espaciado y la cantidad de estos defectos y, a su vez, tener más control sobre el tiempo que tarda el fluido en moverse a través de las capas. Comprender estos defectos es clave para aumentar la cantidad de aplicaciones este la tecnología se puede utilizar en." + Explora más

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