Химики заставили полимер быстро менять цвет в магнитном поле

Химики научили полимерные шарики поворачиваться вслед за магнитным полем. Это не просто забава: поворачиваясь, они меняют цвет. Значит, могут стать перспективным материалом для современных электронных устройств.

Команда исследователей из Калифорнийского университета в Риверсайде в сотрудничестве с инженерами из Сеульского национального университета синтезировала новый материал: полимер, который меняет цвет, когда меняется направление внешнего магнитного поля. Созданный ими магнитохром состоит из крошечных полимерных шариков, которые содержат ориентированные магнитные наночастицы. Они поворачиваются в пространстве вслед за магнитным полем, меняя отражательную способность всего материала, а значит, и его цвет.

«Наш подход, в отличие от многих традиционных подходов, обеспечивает мгновенное изменение цвета без изменения структуры и свойств самих микросфер. Магнитное поле воздействует на материал извне», -- рассказал Ядон Йинь (Yadong Yin), доцент химического факультета Калифорнийского университета в Риверсайде, который руководил исследованием. «Наше исследование предлагает совершенно новый механизм вызова изменения цвета в материале. Теперь впервые есть возможность получать стабильный фотонный материал в больших масштабах».

От капелек к шарикам

Синтез материала осуществляется в несколько ступеней. Тем не менее, он довольно прост и легко масштабируем. Сначала ученые готовят суспензию, состоящую из наночастиц парамагнитного оксида железа, жидкого диакрилата полиэтиленгликоля и фотоинициатора -- диметоксифенилаетофенона. Последний компонент обеспечивает полимеризацию и затвердевание материла при облучении его ультрафиолетовым светом. Но сначала жидкий магнито-полимерный композит смешивают с минеральным маслом. В масляной среде образуется суспензия, полимер приобретает форму правильных микросфер. Затем на суспензию воздействуют магнитным полем – чтобы частички оксида железа ориентировались вдоль этого поля и образовали упорядоченную периодическую структуру. Финальный этап – облучение ультрафиолетом: капельки затвердевают, и упорядоченная магнитная структура в них стабилизируется.

Йинь называет окраску материала «структурным цветом», потому что он вызывается интерференционными эффектами, а не пигментами, как, например, у полимера, меняющего окраску при механическом напряжении. Такой же механизм – отражения света определенной длины волны от специфически упорядоченных структур – используют некоторые ярко окрашенные птицы для своих перьев, бабочки и жуки для своих крыльев. Именно благодаря внутренней микроструктуре природные и синтетические опалы имеют свою уникальную окраску.

Стабильность и скорость

«Традиционный метод производства материалов с изменяемыми «структурными цветами» основывается на изменении периода структур или коэффициента преломления материала, -- рассказывает калифорнийский химик. -- Таких изменений трудно добиться или они задействуют очень медленные процессы». Подобный механизм используется в материалах на основе цветных жидких кристаллов. Хотя Ядон Йинь, вероятно, еще не знает, что российским химикам удалось решить проблему скорости переключения света для жидких кристаллов своим собственным изящным способом.

Впрочем, заслуг международной американско-корейской команды этот факт не отменяет. Кроме бесконтактного контроля и немедленного действия, которые обеспечивает магнитное поле, их материал имеет и другое преимущество, обеспечиваемое его простой структурой – это возможность немедленной интеграции технологии в производство электронных устройств, которые уже присутствуют на рынке, например, карманные книги на основе технологии «электронной бумаги».

Шарики остаются стабильными в любом «растворителе», то есть жидкой среде, обеспечивающей им возможность двигаться. Это может быть вода, минеральное или силиконовое масло, спирт, любые органические растворители и даже растворы полимеров. Последний факт позволил исследователям создать первую дисплейную ячейку. Шарики поместили в матрицу раствора полимера, который жидкий, когда горячий, и затвердевает при охлаждении. Соответственно, когда суспензии теплая, из шариков можно сформировать нужную структуру, которая будет стабильна при охлаждении. Так ученые предлагают создавать крупные вывески и электронные плакаты для наружной рекламы, которые будут энергосберегающими и обновляемыми.

Сейчас группа планирует вплотную заняться внедрением своего материала в производства и разработкой магнитных сенсоров на его основе. Подробнее с результатами их работы можно ознакомиться в статье, опубликованной в Journal of American Chemical Society.