Krediet: Pixabay / CC0 Public Domain
Stel je voor dat je een schoonmaakdoekje gebruikt dat de aanwezigheid van een bacterie of ziekteverwekker kan detecteren en in een andere kleur verandert, of een N95-ademhalingsmasker dat de aanwezigheid van het nieuwe coronavirus kan detecteren en reageert op een manier die de drager waarschuwt, zodat ze het weten wanneer ze het moesten veranderen.
Christina Tang, Ph.D., een assistent-professor bij de afdeling Chemische en Life Science Engineering aan de Virginia Commonwealth University, test nieuwe manieren om deze scenario’s tot leven te brengen door vloeibare kristallen in vezels te spinnen die bij verschillende temperaturen van kleur veranderen.
Tang en studenten van haar Vertically Integrated Projects-team hebben samen met het Amerikaanse leger aan een project gewerkt om vezels te maken met deze schijnbaar magische – of thermochrome – eigenschappen. In plaats van een spinnewiel, gebruikt Tang’s laboratorium een ​​elektrospininstrument in een proces dat ze vergeleek met het maken van suikerspin. Een mondstuk genereert het materiaal, dat vervolgens tot een vezel wordt getrokken en tot vellen wordt gerold.
De groep van Tang is aan het bepalen hoe de vezel en vloeibare kristallen kunnen worden verwerkt, zodat een stijging of daling van de temperatuur zal resulteren in een verandering “zodat we nog steeds kleur kunnen krijgen, maar dan ook fundamenteel begrijpen hoe die verwerking de faseverandering beïnvloedt.”
Deze “slimme stoffen” zijn gemaakt van zachte, lichtgewicht en elastische materialen en kunnen worden gebruikt in kleding zoals camouflage of voor andere toepassingen zoals het detecteren van de aanwezigheid van een ziekteverwekker zoals een virus. Ze zijn ook gebruikt om draagbare sensoren en apparaten te maken.
Tang werkt op nanoschaal, waarbij een nanovezel 1000 keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. Haar onderzoeksgebieden zijn onder meer functionele polymere nanomaterialen en nanodeeltjes.
Polymeer nanomaterialen zijn gemaakt van plastic zoals nylon of polyethyleen – hetzelfde soort materiaal dat wordt gebruikt om plastic frisdrankflessen te maken. Het laboratorium van Tang maakt non-woven nanovezels, vergelijkbaar met een herbruikbare boodschappentas, die gemakkelijk in massa kan worden geproduceerd.
“We denken graag na over hoe we functionaliteit aan deze materialen kunnen toevoegen”, zei ze.
In het geval van het N95-masker, zei ze, zou een drager weten “wanneer je het moest veranderen, in plaats van alleen maar te raden”. Met de reinigingsdoekjes “kon je blijven afvegen totdat het niet meer van kleur veranderde.”
In haar onderzoek naar het begrijpen van de fundamentele eigenschappen van deze materialen, test Tang hoe thermochrome vezels kunnen worden gemaakt door vloeibare kristalformuleringen op te nemen in elektrogesponnen nanovezels.
Aaron Wimberly, een junior met als hoofdvak Chemie en Life Science Engineering, begon de zomer voor zijn tweede jaar aan het project te werken.
“Toen ik voor het eerst het laboratorium binnenkwam en Dr. Tang me enkele van de monsters van elektrisch gesponnen geweven matten en polymeeroplossingen liet zien, was het echt heel gaaf,” zei hij. Sindsdien heeft hij meegeholpen aan het maken van monsters die van kleur kunnen veranderen.
Tang zei dat sommige onderzoekers in het veld zich richten op vloeistoffen, terwijl anderen op polymeren. Haar benadering, op de kruising van de twee, past methoden toe die typisch worden gebruikt voor vloeistoffen op deze materialen.
De vloeibare kristallen, die zich tussen vloeibare en vaste fasen bevinden, hebben de optische eigenschap van gereflecteerde kleur – “hetzelfde principe dat vlindervleugels hun kleur geeft in plaats van kleurstoffen die kleur absorberen”, zei Tang.
Geleverd door Virginia Commonwealth University