Le Dr Edwin L. Thomas, professeur au Département de science et génie des matériaux, et une équipe de chercheurs de l'Université Texas A&M et de l'Université Yonsei ont récemment découvert un défaut de forme hélicoïdale dans les polymères en couches, découvrant comment les solvants peuvent se diffuser à travers les couches et produire changements de couleur.

Cette recherche a récemment été publiée dans Science Advances.

Dans certains appareils électroniques interactifs humains, tels que les jauges de température ou les capteurs de santé, on utilise des polymères capables de changer de couleur en fonction des stimuli. Ce phénomène est appelé couleurs structurelles stimuli-interactives car le matériau réagit et change de couleur en raison de changements environnementaux, tels qu'un solvant ou une solution.

Un matériau qui a une structure périodique unidimensionnelle composée de deux couches (A et B) agit comme un cristal photonique et peut réfléchir la lumière d'une longueur d'onde donnée (couleur) en fonction de l'épaisseur de chaque couche. La couleur structurelle interactive par stimuli fonctionne en modifiant les cristaux photoniques à l'aide de stimuli ou de forces externes. L'épaisseur de chaque couche de polymère affecte la couleur de la lumière réfléchie :si toutes les couches d'un matériau ont la même épaisseur, une seule couleur sera réfléchie. Si différentes parties du matériau sont composées d'empilements de couches, chacune ayant une épaisseur différente, chaque couche reflétera une couleur différente et le matériau apparaîtra comme un matériau métallique normal, reflétant toutes les couleurs.

Dans certains cas, un solvant préférentiel est utilisé pour gonfler l'une des couches polymères particulières, provoquant délibérément des changements de couleur. Les chercheurs ont remarqué que les couches attendues gonflaient dans ces matériaux. Cependant, il n'était pas clair comment le solvant s'infiltrait / traversait les couches qui ne gonflaient pas vers celles qui étaient censées gonfler.

"Disons que nous mettons un solvant sur plusieurs couches de polymère A et B", a déclaré Thomas. "La première couche A gonfle, la couche B ne gonfle pas, mais la couche A suivante le fera. Comment la deuxième couche de solvant A traverse-t-elle la couche B ? Nous avons réalisé qu'il doit y avoir quelque chose dans la structure globale du polymère qui permet au passage de solvant vers les autres couches."

Pour comprendre ce qui se passait dans les polymères, les chercheurs ont utilisé un faisceau d'électrons pour développer un tomogramme, une technique de reconstruction qui prend des images bidimensionnelles très fines de sections d'objets 3D pour découvrir ce qu'il y a à l'intérieur.

"Supposons que vous ayez une miche de pain et que vous vouliez savoir s'il y avait un trou quelque part dans la miche", a déclaré Thomas. "Si vous le coupez en tranches fines, vous finirez par toucher le trou. Vous continuez à trancher, puis le trou disparaîtra. Si vous regardiez toutes les tranches, vous pourriez comprendre exactement où se trouvent les trous. Ce processus est similaire à l'idée d'un tomographe."

En utilisant cette méthode, les chercheurs ont découvert que dans le matériau à cristaux photoniques polymères, des dislocations de vis hélicoïdales (défauts) étaient présentes, permettant au solvant de traverser facilement et rapidement différentes couches, provoquant le gonflement et produisant les changements de couleur structurels stimuli-interactifs.

En règle générale, les défauts sont associés à une énergie élevée et sont singuliers (perturbant brusquement la périodicité se produisant à un endroit). En revanche, les défauts hélicoïdaux ne sont pas singuliers et se forment spontanément, un avantage pour les matériaux.

"C'est un bon type de défaut qui améliore les propriétés et permet une pénétration rapide et efficace dans le matériau avec un solvant et un gonflement rapide. Si ces choses n'existaient pas, la seule façon dont les couches pourraient transpirer serait par les bords", a déclaré Thomas. .

Étant donné que la couleur structurelle stimuli-interactive présente un excellent potentiel pour des appareils tels que les capteurs de santé et l'électronique interactive humaine, le contrôle de l'espacement latéral ou de la quantité de défauts hélicoïdaux pourrait être un facteur critique dans les applications futures.

"Ces défauts produisent actuellement un effet favorable, mais cela dépend de l'application", a-t-il déclaré. "Notre prochain défi consiste à déchiffrer comment contrôler l'espacement et la quantité de ces défauts, et à son tour, avoir plus de contrôle sur le temps nécessaire au fluide pour se déplacer à travers les couches. Comprendre ces défauts est essentiel pour augmenter le nombre d'applications ce la technologie peut être utilisée dans." + Explorer plus loin

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