Alterno, Capas nanométricas de moléculas hidrófilas e hidrófobas se autoensamblan en un copolímero de bloque llamado gel fotónico, desarrollado en la Universidad de Rice y el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Cambia de color dependiendo de la cantidad de agua absorbida por las capas hidrofílicas, que puede ser ajustado por el solvente utilizado. Crédito:Thomas Lab / Rice University
(Phys.org) —Los científicos de materiales de la Universidad de Rice y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han creado películas muy delgadas que cambian de color que pueden servir como parte de sensores económicos para el deterioro o la seguridad de los alimentos, elementos ópticos multibanda en sistemas impulsados por láser e incluso como parte de pantallas de alto contraste.
El nuevo trabajo dirigido por el científico de materiales de Rice Ned Thomas combina polímeros en un metamaterial autoensamblado que, cuando se expone a iones en una solución o en el medio ambiente, cambia de color dependiendo de la capacidad de los iones para infiltrarse en las capas hidrófilas (amantes del agua).
La investigación fue publicada en la revista American Chemical Society ACS Nano .
El material de un micrón de espesor llamado gel fotónico, mucho más delgado que un cabello humano, es tan económico hacer eso, Thomas dijo, "Podríamos cubrir un área del tamaño de un campo de fútbol con esta película por unos cien dólares".
Pero para aplicaciones prácticas, piezas mucho más pequeñas servirían. "Suponga que quiere un sensor de alimentos, "dijo Thomas, William and Stephanie Sick Dean de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice y ex presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. "Si está dentro de un paquete sellado y el entorno en ese paquete cambia debido a la contaminación, el envejecimiento o la exposición a la temperatura, un inspector vería que el sensor cambia de azul a rojo y sabría de inmediato que la comida está en mal estado ".
Un gel fotónico desarrollado en la Universidad de Rice y el Instituto de Tecnología de Massachusetts se autoensambla a partir de moléculas poliméricas largas. El poliestireno y la poli (2-vinil piridina) se mezclan en una solución que, cuando se evapora, permite que los polímeros se formen rápidamente en capas nanométricas. Las capas se pueden ajustar para reflejar colores específicos cuando se exponen a determinados productos químicos. Crédito:Joseph Walish / MIT
Tales señales visuales son buenas, él dijo, "especialmente cuando necesitas ver muchos de ellos. Y puedes leer estos sensores con baja tecnología, ya sea con sus propios ojos o con un espectrofotómetro para escanear cosas ".
Las películas están hechas de capas a nanoescala de poliestireno hidrófobo y poli (2-vinil piridina) hidrófila. En la solución líquida, las moléculas de polímero se difunden, pero cuando el líquido se aplica a una superficie y el solvente se evapora, las moléculas de copolímero de bloque se autoensamblan en una estructura en capas.
Las moléculas de poliestireno se agrupan para mantener las moléculas de agua fuera, mientras que la poli (2-vinil piridina), P2VP para abreviar, forma sus propias capas entre el poliestireno. Sobre un sustrato, las capas se forman en una pila transparente de "nano-panqueques" alternados. "La belleza del autoensamblaje es que es simultáneo, todas las capas se forman a la vez, "Dijo Thomas.
Los investigadores expusieron sus películas a varias soluciones y encontraron diferentes colores dependiendo de la cantidad de disolvente absorbido por las capas P2VP. Por ejemplo, con una solución de cloro / óxido / hierro que el P2VP no absorbe fácilmente, la película es transparente, Dijo Thomas. "Cuando sacamos eso, lavar la película y traer una nueva solución con un ion diferente, el color cambia ".
Los investigadores convirtieron progresivamente una película transparente en azul (con tiocianato), a verde (yodo), a amarillo (nitrato), a naranja (bromo) y finalmente a rojo (cloro). En cada caso, los cambios fueron reversibles.
Un gel fotónico desarrollado en la Universidad de Rice se sometió a una serie de cambios de color cuando se lavó repetidamente y se expuso a nuevos compuestos. Los geles muestran potencial para sensores y filtros económicos. Crédito:Thomas Lab / Rice University
Thomas explicó que el intercambio directo de contraiones de la solución al P2VP expande esas capas y crea una banda prohibida fotónica, la luz equivalente a una banda prohibida semiconductora, que permite que se refleje el color en una longitud de onda específica. "Las longitudes de onda en esa banda prohibida fotónica tienen prohibida la propagación, " él dijo, lo que permite que los geles se sintonicen para reaccionar de formas específicas.
"Imagina un sólido en el que creas una banda prohibida en todas partes, excepto a lo largo de una ruta 3-D, y digamos que la ruta es una región estrechamente definida que puede fabricar dentro de este material fotónico. Una vez que pones luz en ese camino, está prohibido salir porque no puede entrar al material, debido a la banda prohibida.
"Esto se llama moldear el flujo de luz, ", dijo." En estos días en fotónica, la gente piensa en la luz como si fuera agua. Es decir, puedes ponerlo en estas pequeñas tuberías. Puede girar la luz en las esquinas que son muy afiladas. Puedes ponerlo donde quieras guárdelo de donde no lo quiere. La fontanería de la luz ha sido mucho más fácil que en el pasado, debido a la fotónica, y en cristales fotónicos, debido a los huecos de la banda ".
