فیلم های پلیمری که در اثر کشش دچار تغییر رنگ می شوند

محققان انجمن ملی علوم و تحقیقات  صنایع پیشرفته ی ژاپن به تازگی فیلم هایی پلیمری ابداع کردند که در اثر تغییر تنش اعمال شده تغییر رنگی آنی و بازگشت پذیر از خود نشان می دهند.

این فیلم های پلیمری با استفاده از محلولهایی از پلی استیلن استخلاف دار بر زیرلایه ای الاستیک بروش spin-coating تهیه شده اند. (در این روش فیلم های پلیمری به سوبسترا تبدیل می شوند.)

رنگ این فیلم های پلیمری بطور آنی وبازگشت پذیر در اثرفشرده شدن یا کشیده شدن توسط  دستگاه کشش تغییر می یابد. این تغییر رنگ تکرار پذیر بوده و با اعمال کششی جزئی با دست نیز قابل مشاهده است.

به نظر می رسد این تکنیک در سنسورها(حسگرها)ی تنش برای ارائه ی نمودی ساده از تنش اعمال شده کاربرد داشته باشد. نمایش میزان تنش اعمالی تا قبل از این امری دشوار و پیچیده بنظر می رسید.

تاریخچه ی تحقیقات:

مواد پلیمری با قابلیت تغییر رنگ در اثر تحریکات خارجی مختلفی مانند حرارت، نور، میدان الکتریکی  و میدان مغناطیسی شناخته شده و کاربردهای وسیعی در انواع مختلفی ازدستگاه های نمایشگر و سنسورها دارند.

اما تنها تعداد کمی از پلیمرها هستند که در اثر تحریک مکانیکی دچار تغییر رنگ می شوند.

در صورت ورود این پلیمرها به عرصه های کاربردی، تحریکات مکانیکی به سادگی و با مخارج کم قابل نمایش خواهند شد.

به عنوان مثال می توان این پلیمرها را در سنسورهای تنش برای نشان دادن نقاط خطر، با یافتن تنش های اعمالی برساختار ساختمان ها و در نتیجه نشان دادن آنها با تغییر رنگ بکار برد.

پلی استیلن به عنوان پلیمری رسانا شناخته شده است، با این حال کاربرد آن به دلیل ناپایداری در هوا با مشکلاتی روبروست. در این راستا می توان پلیمرهای معرفی شده را به دلیل پایداری در هوا و قابلیت تولید فیلم از محلول های آنها به عنوان استخلافی مناسب برای  پلی استیلن برگزید.

دررابطه با سینتیک پلی استیلن های استخلاف دار جدید و کنترل خواص نوری آنها توسط AIST  تحقیقاتی صورت گرفت که نتایج آنها در زیر آمده است:

مشاهده ی تغییر رنگ بازگشت پذیر در پلیمر در اثر تحریک حرارتی،
کنترل تغییر رنگ در برابر نور،
کنترل وارونگی سریع کایرالیتی،
و افزایش کایرالیتی با تشکیل ساختارهای آرایش یافته تر.

جزئیات تحقیقات:

پلیمریزاسیون استیلن بااستخلاف فنولی با استفاده از  [Rh(norbornadiene)Cl] 2به عنوان کاتالیستی برای تولید پلیمری با زنجیر اصلی دارای کنفورماسیون سیس  و ساختار مارپیچ (یکی از واحدهای تکراری این پلیمر در شکل ساختار شیمیایی پلیمر۱ نشان داده شده است.) صورت می گیرد.

فیلم این پلیمر به روش spin-coating از محلول کلروفرم این پلیمر بر صفحه ای الاستیک وعاری از کلر تهیه شده است.

فیلم پلیمری بدست آمده از پلی استیلن استخلاف دار در زمان تهیه زرد رنگ است.

با اعمال کشش بر فیلم و صفحه با استفاده از دستگاه کشش، مولکول های استخلاف دار پلی استیلن در جهت کشش آرایش یافته و اعمال کشش بیشتر منجر به تغییر رنگ فیلم از زرد به قرمز می شود.

اندازه گیری میزان جذب طیف های مرئی- ماوراء بنفش افزایش جذب از حدود ۵۰۰ الی ۶۰۰ نانو متر را نشان می دهد.

برداشتن تنش و فشردن فیلم باعث تغییر رنگ مجدد پلیمر به زرد شده و طیف جذبی با طیف جذبی قبل از کشش دوباره برابر می شود.

بنابراین تغییررنگ  با توجه به کشش یا تراکم بازگشت پذیر می باشد.

تغییر رنگ آنی با اعمال سریع کشش یا تراکم با دست نیزصورت می گیرد.

با توجه به تکرار پذیری، تغییر رنگ پلیمر از زرد به قرمز و بالعکس مکررا با اعمال کشش یا تراکم قابل مشاهده خواهد بود.

علاوه براین محققان به این نتیجه رسیدند که تغییر رنگ مستقل از نسبت کشش و وابسته به تنش اعمال شده است.

گذشته از این مکانیسم دخیل در این تغییر رنگ هنوز به طور دقیق معلوم نشده و تصور می شود که این تغییر رنگ ناشی از تغییردرسیستم کونجوگیت (باندهای دو گانه یک در میان) زنجیر اصلی با توجه به تغییر طول مولکولهای پلیمری در اثر کشش و تراکم فیلم باشد.

فیلم های تولید شده از سایر پلی استیلن های استخلاف دار نیز تغییر رنگی آنی و بازگشت پذیر بین بیرنگی و رنگ زرد یا بین ارغوانی و آبی نشان داده اند.

این تغییر رنگ ها نیز تکرار پذیر هستند.