Химики разработали упругий полимерный материал, который при растяжении постепенно меняет свой цвет с фиолетового на красный. Такой материал можно использовать в эластичных бинтах и контролировать таким образом его натяжение, пишут ученые в Advanced Materials.

Недавно мы писали о полимерном материале, который упрочняется при растяжении и за счет этого ведет себя подобно некоторым мягким тканям животных. Каждая полимерная цепочка такого материала состоит из трех участков различного состава: в центре молекулы находится участок эластомера — полидиметилсилоксана, способного упруго растягиваться, а по краям — участки полиметилметакрилата, связывающие молекулы между собой. Авторы исследования отмечали, что кроме изменения механических свойств, при растяжении такой материал еще и меняет свой цвет. Этот эффект связан с тем, что у разных частей полимера разный коэффициент преломления, поэтому упорядоченная структура материала фактически превращает его в брэгговсикй отражатель, который избирательно отражает видимый свет в очень узком диапазоне длин волн. При увеличении же расстояния между участками происходит изменение расстояния между элементами, а следовательно — меняется длина волны отраженного света и цвет материала.

Теперь группа химиков из США и Японии под руководством Матиаса Колле (Mathias Kolle) из Массачусетского технологического института предложила использовать этот же эффект при разработке упругого материала, в котором контролируемое изменение цвета служит показателем степени растяжения материала. Для этого ученые использовали похожую полимерную структуру, в которой участки двух составов были расположены в виде упорядоченного массива слоев. Слои первого типа так же состояли из полидиметилсилоксана, а между ними располагались слои из другого полимерного соединения, в состав которого входили полистирол и полиизопрен. Сам материал представлял собой растяжимую нить, в котором такие примерно 60 таких слоев толщиной от 100 до 300 нанометров наносились на упругое волокно, тоже из полидиметилсилоксана, которое становилось ядром нити. Полученную таким образом нить можно было растягивать более чем в 2 раза. При растяжении нити меняется внутреннее напряжение в материала и его цвет меняется с красного на фиолетовый, а при обратном сжатии нить снова становится красной.

Изменение цвета нити при ее растяжении. MIT / Univeristy of Tokyo / U.S. Air Force Research Laboratory / Harvard University

Использовать такой материал авторы работы предложили при производстве эластичных бинтов, и даже разработали технологию вплетения этих полимерных нитей в бинт. Ученые отмечают, что, несмотря на широкое распространение эластичных бинтов при лечении, до сих нет метода, который относительно просто позволял бы контролировать степень натяжения бинта и давление, с которым он сжимает суставы или кровеносные сосуды. Если же использовать полимерную нить, в которой в качестве датчика давления сенсором давления вы следовательно, и создаваемое давление) которых можно контролировать, просто следя за цветом.

Структура полимерных нитей и изменение цвета их цвета при растяжении. J. D. Sandt et al./ Advanced Materials, 2018

Меняющая цвет полимерная нить, вшитая в ткань эластичного бинта. J. D. Sandt et al./ Advanced Materials, 2018

Авторы исследования отмечают, нить меняет свой цвет как раз в том диапазоне давлений (от 3 до 7 килопаскалей), которые и должен создавать эластичный бинт для укрепления суставов и мышц, а также при лечении заболеваний сосудов и при постоперационном восстановлении. При этом что такой датчик спокойно выдерживает 10 тысяч циклов растяжения-сжатия в два раза и при этом не теряет своих свойств. Поэтому ученые предполагают, что в дальнейшем подобные цветовые датчики могут быть использованы в различных типах эластичных бинтов и ортопедических бандажей — особенно тех, которые приходится растягивать регулярно и достаточно сильно.

Различные материалы, которые меняют свой цвет в ответ на какое-то внешнее ученые нередко предлагают использовать в медицинских целях. Например, в прошлом году ученые разработали чернила для татуировок, которые меняют свой цвет при изменении содержания в организме различных веществ. В частности, с помощью таких татуировок ученые предлагают следить за состоянием своего организма людям, страдающим от диабета.

Автор: Александр Дубов