Pred mesiacom, 3. decembra 2008, vyšiel v časopise Angewandte Chemie International Edition článok "Elektroaktívny inverzný opál: jeden materiál pre všetky farby".
Syntetický opál je nový druh materiálu, ktorý sa štruktúrou a optickými vlastnosťami podobá známemu prírodnému polodrahokamu, tento má však jednu zaujímavú a komerčne veľmi perspektívnu vlastnosť: pri zmene malého elektrického napätia mení farbu. Jeho vynálezci - tím chemikov z kanadskej Univerzity v Toronte pod vedením Geoffreya Ozina a ich britskí kolegovia z Univerzity v Bristole, ktorým šéfuje Ian Manners – sľubujú, že táto nová technológia má nielen širokú škálu možného využitia, ale je už zrelá na okamžité zavedenie do praxe.
Aké je tajomstvo výroby takéhoto fotonického chameleóna? Na plochú elektródu sa navŕši vrstva drobných, 270 nanometrov (270 milióntin milimetra) veľkých guličiek z kysličníka kremičitého. Je to jeden z najrozšírenejších materiálov na zemskom povrchu a v mineralogickej kryštalickej forme ho poznáme ako kremeň. Táto vrstva sa zaleje polyferocenylsilánom – gélu podobným polymérom, ktorý priestor medzi guličkami vyplní. Vďaka chemickému zloženiu s obsahom atómov železa je táto polymérová výplň elektroaktívna, elektrické napätie v nej vyvoláva tok elektrónov. Kyselinou fluorovodíkovou sa pôvodné kremenné guličky rozpustia a na ich mieste zostanú prázdne bublinky. Materiál sa tak podobá akejsi špongii (česky houbě) z vodivého polyméru s veľmi pravidelnou štruktúrou dutiniek, ktoré sa v ďalšom kroku naplnia vhodným elektrolytom (elektricky vodivým roztokom, v ktorom sa vďaka disociácii nachádzajú voľné ióny). Celá vrstva sa nakoniec dôkladne vzduchotesne uzavrie. Polymér, vytvárajúci kostru pórovitej štruktúry a elektrolyt, ktorý sa v ňom nachádza v podobe hustej, pravidelnej siete mikroskopických, necelé tri desaťtisíciny milimetra veľkých kvapiek, majú rôzne optické vlastnosti – rôzne indexy lomu. Bez pôsobenia elektrického napätia rozptyľuje tento syntetický inverzný opál len modrú zložku dopadajúceho svetla, preto ho vidíme ako opalizujúco žiarivo modrý.
Ak sa však na podkladovú plochú elektródu pripojí regulovateľný zdroj nízkeho napätia, bude v závislosti od jeho zmeny farba materiálu prechádzať celým dúhovým spektrom. Elektrické napätie spôsobí v polyméri uvoľnenie valenčných elektrónov z atómov železa (oxidáciu) a ich pohyb smerom do elektrolytu. To však vyvolá prebytok kladného náboja a opačný jav – pohyb negatívne nabitých iónov z elektrolytu smerom do polyméru.
Polymér dokáže absorbovať časť iónového roztoku elektrolytu a tak mierne zväčší svoj objem na úkor pórov. Vďaka svojim chemicko-fyzikálnym vlastnostiam tak nabobná. Čím je napätie vyššie, tým viac sa plastický polymérový skelet zväčšuje. Pri znížení napätia sa opäť scvrkáva. Navonok sa to prejaví zmenou optických vlastností celého materiálu a zmenou jeho farby – vlnovej dĺžky žiarenia, ktoré najviac rozptyľuje. Ako sa napätie postupne mení, tak aj výsledná farba prechádza všetkými odtieňmi spektra. Pri napätí 1,6 V je materiál zelený, pri 2 voltoch červený.
Na čo sa bude využívať tento zaujímavý materiál, ktorého farbu je možné jednoducho ovládať malou zmenou nízkeho napätia? V súčasnosti sa uvažuje o rôznych senzoroch, reklamných pútačoch, či novom type fotonického, farby meniaceho papiera. Ale jeho budúcnosť je nepochybne oveľa rozmanitejšia.
Ak na syntetický fotonický inverzný opál nepôsobí elektrické napätie, materiál je modrý, pri napätí okolo 1,6 Volta opalizuje v zelených odtieňoch, pri 2 V je červený a pri napätí 2,6 V odtieň červenej tmavne, ako sa skracuje vlnová dĺžka rozptyľovaného svetla – viď. spektrum. Ak sa materiál nanesie na mriežku digitálnych zobrazovacích bodov (pixlov), každý z nich môže byť ovládaný zvlášť a mať tak inú farbu. Foto: Geoffrey Ozin a Andre Arsenault Zdroj: Science Direct
Video: Ako zmena napätia mení farby
Zdroj: 1/ Nature News
2/ stránka Roland Piquepaille"s Technology Trends
3/ New Scientist
4/ Science Dirtect (Materials Today)
Opál je známy polodrahokam, ktorý nie je vzácny zložením, pretože je tvorený takmer výlučne kysličníkom kremičitým, ktorý v prírodnej kryštalickej forme poznáme aj ako bežný minerál – kremeň. Vnútorná štruktúra opálu však nie je kryštalická, ale amorfná, tvorená z vrstiev veľmi drobných guľovitých častíc z hydratovaného oxidu kremičitého (SiO2•nH2O – obsah vody až do 20 %), pomerne pravidelne usporiadaných v amorfnom tmeli z SiO2. Svetlo, ktoré minerálom prechádza sa láme, rozkladá na jednotlivé farebné zložky a vytvára nádherné dúhové odlesky. Výsledná farba závisí na veľkosti a vzájomnej vzdialenosti guličiek. Tie najmenšie (okolo 150 nanometrov) odrážajú modrú farbu spektra a najväčšie (asi 400 nanometrov) oranžovú až červenú. Opál vzniká z nízkotermálnych postvulkanických roztokov vyzrážaním gelovitej kremičitej zložky roztoku.
Diskuze:
