Материаловеды из Университета Райса (США) получили очень тонкие меняющие свой цвет плёнки, способные стать ядром недорогих сенсоров для мониторинга качества пищевых продуктов, послужить мультиволновыми оптическими элементами в лазерных системах и даже быть частью высококонтрастных дисплеев.

В исследовании, которым руководил Нед Томас (Ned Thomas), полимеры двух разных типов были объединены в единый самоорганизующийся метаматериал, меняющий свой цвет, если в растворе или окружающей среде присутствуют ионы в определённом гидратном состоянии. Причём характеристика цветовой перемены зависит от способности ионов проникать в слой гидрофильного полимера.

Рис. 1. Чередующиеся наноразмерные слои гидрофобного и гидрофильного блок-сополимера, самоорганизовавшиеся на подложке в прозрачную микростопку (здесь и ниже фото Rice University).

Стоимость полученной микронной плёнки фотонного геля настолько мала, что, по словам г-на Томаса, $100 хватило бы на то, чтобы покрыть такой плёнкой футбольное поле.

Впрочем, для практического применения понадобятся совсем небольшие фрагменты. Для начала, чтобы заинтересовать читателя, просто приведём пример использования — сенсор мониторинга качества пищевых продуктов. Если положить такой сенсор внутрь прозрачной, хорошо закрытой упаковки, то при изменении состава среды внутри упаковки (из-за «старения» или перегрева при транспортировке) цвет сенсора начнёт меняться — например, с синего на красный.

Это будет свидетельствовать о том, что продукт испортился. Подобное простое визуальное представление может быть чрезвычайно полезно как для покупателей, так и для сотрудников санэпидемнадзора, контролирующих большие партии товаров.

Сенсорные плёнки были получены с помощью объединения наноразмерных слоёв гидрофобного полистирола и гидрофильного поли(2-винилпиридина). Слои нормально уживаются друг с другом благодаря специфическому стейкинг-взаимодействию ароматических систем обоих полимеров. В растворе полимерные молекулы находятся в диффузном состоянии, но после нанесения капли такой жидкости на подложку и высыхания растворителя молекулы блок-сополимера самоорганизуются в слоистые структуры.

Молекулы полистирола слипаются для того, чтобы эффективнее отталкивать воду, а поли(2-винилпиридин), или просто P2VP, образует собственный полимерный слой между слоями полистирола. В результате на подложке вырастает прозрачная стопка чередующихся наноблинчиков — плёнок толщиной в несколько нанометров.

Рис. 2. Цветовые переходы фотонного геля в присутствии различных анионов.

После того как авторы работы подвергли свои плёнки воздействию различных растворов, было обнаружено, что эти прозрачные слоистые структуры способны менять цвет в зависимости от гидратного состояния растворённых в воде анионов. Например, в случае раствора перхлората железа, анион которого практически не абсорбируется слоем P2VP, плёнка оставалась прозрачной и бесцветной. После промывки её снова можно было использовать в другом растворе и с другими ионами, наблюдая изменение цвета. Так, в присутствии тиоцианата плёнка окрашивается синим, становится зелёной, если рядом есть йод, жёлтой — в присутствии нитрата, оранжевой — в случае брома, красной — от ионов хлора.

И главное: всякий раз изменения цвета обратимы.

Учёные поясняют, что происходит прямой обмен противоионами между раствором (противоион в гидратной форме несёт на себе значительное количество молекул воды) и P2VP, что приводит к набуханию полимерных слоёв и возникновению фотонной запрещённой зоны (светового эквивалента запрещённой зоны полупроводников). Это вызывает отражение волн определённой длины и появление специфических цветов. Однако гидратное состояние ионов различается, что и позволяет наблюдать цвета всего видимого диапазона.

Отчёт о результатах работы опубликован в журнале ACS Nano.