Van blauw naar rood en weer terug

Van blauw naar rood en weer terug

De kameleon doet het om te overleven: snel van kleur veranderen als reactie op veranderingen in de omgeving. Plastic kan dat nu ook. Een team van Chinese, Britse en Nederlandse wetenschappers ontwierp een polymeer dat binnen één seconde bij hitte van kleur verschiet.

Wetenschappers proberen al langer om de razendsnelle kleurverandering van een kameleon te vertalen naar synthetische polymeren. Zulke op de natuur-geïnspireerde materialen, die veranderingen in temperatuur waarnemen, kunnen in de toekomst als sensor dienen in bijvoorbeeld draagbare elektronica.

Chemici uit China, het Verenigd Koninkrijk en Nederland hebben zo’n soort polymeer ontworpen. Bij hitte verandert de kleur van blauw naar rood. De kleurverandering is bovendien omkeerbaar: haal het polymeer weg uit de hitte en het krijgt zijn oorspronkelijke kleur terug. Vanuit de Radboud Universiteit werkte de onderzoeksgroep van organisch chemicus Dennis Löwik van het Instituut voor Moleculen & Materialen mee aan het onderzoek. Begin deze maand beschreven ze het polymeer in het vakblad Chemical Science.

Slome polymeren

Polymeren die van kleur veranderen als reactie op temperatuur bestaan al. Maar perfect zijn nog lang niet. Doordat de huidige polymeren een nogal onregelmatige structuur hebben, met zwakke moleculaire bindingen zwak, duurt het tientallen seconden tot aan minuten voor het materiaal van kleur verandert. Tenminste, als het spul al reageert: de polymeren werken alleen bij temperaturen tussen de 50 en 90 graden Celsius. Door deze beperkingen zijn de huidige van kleur veranderende polymeren alleen beschikbaar in poedervorm. Terwijl de sterke vezelvorm nodig is voor verwerking als sensor in bijvoorbeeld draagbare elektronica.

Gerangschikte structuur

Hoe dit probleem te omzeilen? De oplossing blijkt vrij simpel ontdekte het team, geleid door Zhengzhong Shao van de Fudan Universiteit in China. Ze brachten peptides –moleculen die bestaan uit een klein aantal aminozuren – aan op de zijketens van de polymeermoleculen. Als resultaat werden de zijketens stabieler en kan het materiaal zichzelf in elkaar zetten tot rechte vezels. Dankzij de peptiden vormen de vezels een nette, gerangschikte structuur.

Het van kleur veranderen werkt vervolgens als volgt. Hitte maakt de zijketens beweeglijker, waardoor de orde in het polymeer min of meer verstoord wordt: de ketens liggen niet meer netjes recht naast elkaar. Dit beïnvloedt weer welke golflengten van het licht het materiaal absorbeert, en dus welke kleur het polymeer krijgt.

Door de sterke polymeerketens kan het materiaal opvallend snel van kleur veranderen, zelfs bij temperaturen van 200 graden Celsius. De grenstemperatuur waarbij kleurverandering optreedt, was in te stellen oor de lengte van de zijketens aan te passen. Naarmate de hitte toeneemt verschiet het polymeer van blauw naar rood naar oranje naar geel (zie filmpje). Haal je de hittebron weg? Dan krijgt het polymeer zijn oorspronkelijke kleur weer terug.

Biosensor

Binnen één seconde kan het polymeer drie keer van kleur verschieten. Keer op keer. “Er is amper verlies van de gevoeligheid voor kleurverandering na herhaald gebruik”, zegt Shao op de website Chemistry World. Tenminste, zo lang de organisatie van de peptides in stand blijf, zegt hij erbij. Komt de temperatuur boven de 200 graden Celsius, dan beschadigen de peptides onherstelbaar en verliest het materiaal zijn van kleur veranderende eigenschap.

In de volgende stap gaat het team proberen het bereik van de temperatuur waarin de kleurverandering plaatsvindt aan te passen. Want willen ze het polymeer ooit gebruiken als biosensor, dan moet de temperatuur waarin de kleurverandering gebeurt dichter komen te liggen bij die van het menselijk lichaam.

Bronnen:

  • Hui Guo e.a., ‘Ultrafast and reversible thermochromism of conjugated polymer material based on assembling of peptide amphiphiles’, Chemical Science, online publicatie op 1 juli 2014.
  • Charlie Quigg, ‘Polymer changes colour in the heat of the moment’, Chemistry World,22 juli 2014.

Dit nieuwsbericht verscheen 25 juli 2014 op Kennislink

Reageer