en alternance, des couches nanométriques de molécules hydrophiles et hydrophobes s'auto-assemblent en un copolymère à blocs appelé gel photonique, développé à l'Université Rice et au Massachusetts Institute of Technology. Il change de couleur en fonction de la quantité d'eau absorbée par les couches hydrophiles, qui peut être ajusté par le solvant utilisé. Crédit :Thomas Lab/Rice University
(Phys.org)—Les scientifiques des matériaux de l'Université Rice et du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont créé des films très minces à changement de couleur qui peuvent faire partie de capteurs peu coûteux pour la détérioration ou la sécurité des aliments, éléments optiques multibandes dans les systèmes à commande laser et même dans le cadre d'écrans à contraste élevé.
Le nouveau travail dirigé par le scientifique des matériaux Rice Ned Thomas combine les polymères dans un métamatériau auto-assemblé qui, lorsqu'il est exposé à des ions dans une solution ou dans l'environnement, change de couleur en fonction de la capacité des ions à s'infiltrer dans les couches hydrophiles (qui aiment l'eau).
La recherche a été publiée dans la revue American Chemical Society ACS Nano .
Le matériau d'un micron d'épaisseur appelé gel photonique, bien plus fin qu'un cheveu humain, c'est tellement bon marché de faire ça, Thomas a dit, "Nous pourrions couvrir une superficie de la taille d'un terrain de football avec ce film pour environ cent dollars."
Mais pour des applications pratiques, des morceaux beaucoup plus petits feraient l'affaire. "Supposons que vous vouliez un capteur alimentaire, " dit Thomas, le doyen William et Stephanie Sick de la George R. Brown School of Engineering de Rice et ancien président du département des sciences et de l'ingénierie des matériaux au MIT. « Si c'est à l'intérieur d'un emballage scellé et que l'environnement dans cet emballage change en raison de la contamination, du vieillissement ou de l'exposition à la température, un inspecteur verrait ce capteur passer du bleu au rouge et saurait immédiatement que la nourriture est avariée. »
Un gel photonique développé à l'Université Rice et au Massachusetts Institute of Technology s'auto-assemble à partir de longues molécules de polymère. Le polystyrène et la poly(2-vinylpyridine) sont mélangés dans une solution qui, une fois évaporé, permet aux polymères de se former rapidement en couches nanométriques. Les couches peuvent être réglées pour refléter des couleurs spécifiques lorsqu'elles sont exposées à des produits chimiques particuliers. Crédit :Joseph Walish/MIT
De tels indices visuels sont bons, il a dit, "surtout quand vous devez en regarder beaucoup. Et vous pouvez lire ces capteurs avec une faible technologie, soit avec vos propres yeux, soit avec un spectrophotomètre pour scanner les choses."
Les films sont constitués de couches nanométriques de polystyrène hydrophobe et de poly(2-vinylpyridine) hydrophile. Dans la solution liquide, les molécules de polymère sont diffusées, mais lorsque le liquide est appliqué sur une surface et que le solvant s'évapore, les molécules de copolymère séquencé s'auto-assemblent en une structure en couches.
Les molécules de polystyrène s'agglutinent pour empêcher les molécules d'eau d'entrer, tandis que la poly(2-vinylpyridine), P2VP pour faire court, forme ses propres couches entre le polystyrène. Sur un substrat, les couches forment un empilement transparent de "nano-crêpes" alternées. "La beauté de l'auto-assemblage est qu'il est simultané, toutes les couches se formant à la fois, " dit Thomas.
Les chercheurs ont exposé leurs films à diverses solutions et trouvé différentes couleurs en fonction de la quantité de solvant absorbée par les couches P2VP. Par exemple avec une solution chlore/oxyde/fer qui n'est pas facilement absorbée par le P2VP, le film est transparent, dit Thomas. "Quand on enlève ça, laver le film et apporter une nouvelle solution avec un ion différent, la couleur change."
Les chercheurs ont progressivement viré au bleu un film transparent (avec du thiocyanate), au vert (iode), au jaune (nitrate), à l'orange (brome) et enfin au rouge (chlore). Dans chaque cas, les changements étaient réversibles.
Un gel photonique développé à l'Université Rice a subi une série de changements de couleur lorsqu'il a été lavé à plusieurs reprises et exposé à de nouveaux composés. Les gels présentent un potentiel pour des capteurs et des filtres peu coûteux. Crédit :Thomas Lab/Rice University
Thomas a expliqué que l'échange direct de contre-ions de la solution au P2VP étend ces couches et crée une bande interdite photonique - l'équivalent lumineux d'une bande interdite semi-conductrice - qui permet à la couleur d'une longueur d'onde spécifique d'être réfléchie. "Les longueurs d'onde dans cette bande interdite photonique sont interdites de se propager, " il a dit, ce qui permet aux gels d'être réglés pour réagir de manières spécifiques.
"Imaginez un solide dans lequel vous créez une bande interdite partout mais le long d'un chemin 3D, et disons que le chemin est une région étroitement définie que vous pouvez fabriquer dans ce matériau autrement photonique. Une fois que vous mettez de la lumière dans ce chemin, il est interdit de sortir car il ne peut pas entrer dans la matière, en raison de la bande interdite.
"C'est ce qu'on appelle modeler le flux de lumière, " dit-il. " Ces jours-ci en photonique, les gens pensent à la lumière comme si c'était de l'eau. C'est-à-dire, vous pouvez le mettre dans ces petits tuyaux. Vous pouvez allumer la lumière dans les coins très nets. Tu peux le mettre où tu veux, gardez-le d'où vous ne le voulez pas. La plomberie de la lumière a été beaucoup plus facile que par le passé, grâce à la photonique, et dans les cristaux photoniques, en raison de bandes interdites."
