Van kleur veranderende ‘transformers’ maken met polymeren

Kleurverandering met polymeren biedt potentie voor nieuwe sensoren, soft robotics en in kunst of mode. Tijdens haar onderzoek heeft TU/e-promovenda Pei Zhang een aantal ongelooflijke kleur- en vormveranderingen in polymere materialen gerealiseerd.

Als onderdeel van haar promotieonderzoek heeft Pei Zhang veelzijdige technieken ontwikkeld voor het maken van vloeibare kristalelastomeren (LCE’s). Deze LCE’s vertonen zowel structurele kleurveranderingen als vormveranderingen, vergelijkbaar met die van dieren zoals kameleons en octopussen.

“Het dierenrijk zit vol met soorten die tot ongelooflijke dingen in staat zijn, zeker op het vlak van kleur- en vormveranderingen”, zegt Zhang. “De natuur laat ons zien dat kleur- en vormveranderingen mogelijk zijn. Dus hebben mijn collega’s en ik verschillende manieren ontwikkeld om enkele eigenschappen in het laboratorium na te bootsen met polymere materialen.”

De LCE’s die Zhang en haar collega’s ontwikkelden, reageren op verschillende externe prikkels zoals veranderingen in temperatuur, mechanische vervorming door uitrekken en veranderingen in lichtsterkte.

Coatings

Voor haar onderzoek maakte Zhang temperatuurgevoelige cholesterische LCE-coatings en creëerde ze kleurpatronen op basis van de structuur van deze coatings. Deze kleur ontstaat door de periodieke structuur van het materiaal, dat licht reflecteert. Er werd geen pigment toegevoegd om dit effect te bereiken.

Door nog een zachte polymere laag als drager bovenop de LCE-coatings te plaatsen, kunnen deze dunne cholesterische LCE-folies met de hand worden uitgerekt. Bij het uitrekken vertonen deze films dan een kleurverandering van oranje naar blauw.

De structuurkleur van het patroon is zo geprepareerd dat het reflecteert in licht dichtbij het infraroodspectrum als de film (nog) niet is uitgerekt. Dit betekent dat de structuurkleur niet zichtbaar is voor het menselijk oog.

Het materiaal laat pas een van tevoren bepaald patroon zien, wanneer het wordt uitgerekt. Daardoor verschuift de golflengte van het gereflecteerde licht naar het zichtbare spectrum en wordt het patroon zichtbaar. Dit proces staat bekend als mechanochromisme.

Dit opmerkelijke materiaal heeft een grote potentie in een toepassing als mechanochrome sticker om de vervorming van een substraat te detecteren. Het biedt directe visuele feedback, waardoor het bijvoorbeeld geschikt is voor toepassingen in medisch textiel om de druk op wonden te controleren, maar ook in plafonds en ramen om de veiligheidsomstandigheden in gebouwen te bewaken.

Een kever en een inktvis graag!

Zhang creëerde ook een 3D-vormige ‘kever’ en een 3D-vormige ‘inktvis’ die hun kleur van groen naar rood aanpassen bij verhitting en hun lichaamsvorm bij blootstelling aan licht dichtbij het infraroodspectrum.

“Bepaalde kevers hebben het opmerkelijke vermogen om hun lichaamskleur te veranderen en ik heb aangetoond dat het haalbaar is om dit fenomeen na te bootsen in kunststof”, zegt Zhang.

“Door een 3D ‘kever’ in het laboratorium te maken, heb ik laten zien dat dit vermogen om van kleur te veranderen inderdaad kan worden nagebootst. Met name mijn ‘kever’ overtreft het originele concept door ook de mogelijkheid te hebben om zijn lichaamsvorm te veranderen. Verder heb ik een 3D ‘inktvis’ gemaakt om zowel vorm- als kleuraanpassingen na te bootsen die zijn waargenomen bij verschillende weekdieren.”

De methoden die gebruikt zijn om structureel gekleurde LCE’s te maken in het werk van Zhang vormen de basis voor een veelzijdige gereedschapskist voor het ontwerpen en produceren van functionele polymere materialen.

Toekomstige richtingen

Wat betreft het toekomstige gebruik van deze materialen heeft Zhang een aantal ambities.

“Hoewel de materialen die ik heb ontwikkeld gebruikt zouden kunnen worden in soft robotics of als reksensor in slim textiel en een grote belofte inhouden, zou ik ook graag zien dat de psychologische en esthetische aspecten van deze materialen worden onderzocht op het gebied van mens-computer interactie”, zegt de onderzoekster.

“Dit kan meer visuele interactie aan een product toevoegen. Dat kan de gebruikerservaring en toegankelijkheid van een product verbeteren. Bovendien is de toepassing van deze materialen in de mode-industrie een andere spannende mogelijkheid, zoals het maken van interactieve sieraden die hun uiterlijk aanpassen op basis van de wensen van de drager.”

De PhD-thesis: Structurally Colored Liquid Crystal Elastomer Actuators