Polymeerdeeltjes bootsen de irisatie van opaal na met nano-gatarchitectuur

Een onderzoeksteam aangesloten bij UNIST heeft een nieuwe methode ontwikkeld om op polymeer gebaseerde deeltjes te synthetiseren die de verbluffende irisatie van opalen edelstenen nabootsen. Deze innovatieve aanpak maakt gebruik van nanogestructureerde, poreuze microdeeltjes bestaande uit lineaire blokcopolymeren, die een duurzaam en schaalbaar alternatief bieden voor conventionele kleurstoffen en pigmenten.

Het onderzoek is gepubliceerd in Angewandte Chemie Internationale Editie.

Opalen edelstenen staan ​​bekend om hun betoverende, kleurveranderende uiterlijk, dat voortkomt uit hun unieke interne nanostructuur van silicabolletjes die in een specifiek patroon zijn gerangschikt.

Geïnspireerd door deze natuurlijke architectuur gebruikten professor Kang Hee Ku en haar onderzoeksteam aan de School of Energy and Chemical Engineering van UNIST amfifiele lineaire blokcopolymeren – met name poly(styreen-blok-4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP) – om inverse fotonische glasmicrodeeltjes te creëren met hoekonafhankelijke, levendige kleuren.

Deze deeltjes hebben poriën op nanoschaal die zijn gerangschikt in een polymeermatrix, waardoor de productie van structureel gekleurde pigmenten mogelijk is zonder afhankelijk te zijn van chemische kleurstoffen die na verloop van tijd vervagen.

De belangrijkste innovatie ligt in een schaalbaar emulsie-templatingproces dat waterinfiltratie op het grensvlak induceert, waardoor waterige domeinen op nanoschaal binnen de organische fase worden gevormd. Terwijl het oplosmiddel verdampt, stollen deze domeinen tot poreuze, nanogestructureerde deeltjes die lijken op het omgekeerde van de silicabolopstelling van natuurlijk opaal.

De resulterende microdeeltjes zijn ongeveer tientallen micrometers groot, met interne poriestructuren die honderden keren kleiner zijn, waardoor hun optische eigenschappen effectief worden gecontroleerd.

Dit proces maakt gebruik van principes van grensvlakwetenschap, waarbij water de polymeerdeeltjes binnendringt via oppervlakte-instabiliteitsverschijnselen. De buitenste schil van de deeltjes bestaat uit polystyreen, dat hydrofoob is en waterinfiltratie voorkomt, terwijl de interne structuur wordt aangedreven door de zelfassemblage-eigenschappen van het blokcopolymeer.

De onderscheidende chemische samenstelling van de blokken maakt een nauwkeurige afstemming van de poriegrootte, de schaaldikte en daarmee de zichtbare kleurweergave over het hele spectrum mogelijk.

Opmerkelijk genoeg vertonen de geproduceerde pigmenten een consistente kleur, ongeacht de kijkhoek – een aanzienlijk voordeel ten opzichte van natuurlijk opaal, dat kleurvariaties vertoont afhankelijk van de kijkhoek.

De onderzoekers demonstreerden een veelzijdige kleurcontrole door de typen oppervlakteactieve stoffen, het molecuulgewicht en de chemische modificaties van de copolymeren aan te passen. Ze hebben deze deeltjes ook met succes gedispergeerd in hydrogels met een hoog vochtgehalte om optische inkten te vervaardigen, die in staat zijn ingewikkelde gedrukte patronen te produceren via standaard printtechnieken.

Professor Ku merkte op: “Door relatief eenvoudige lineaire blokcopolymeerstructuren te gebruiken, hebben we een veelzijdig platform ontwikkeld voor het genereren van levendige, hoekonafhankelijke structurele kleuren. Deze technologie is veelbelovend voor toepassingen in displays, beveiligingsfuncties en functionele coatings.”