Исследователи Японского научно-исследовательского института National Institute of Advanced Industrial Science and Technology – AIST) разработали полимерные пленки, которые мгновенно и обратимо изменяют цвет в ответ на приложенные к ним механические напряжения.

Полимерные материалы, которые изменяют цвет как отклик на различные внешние воздействия- такие, как тепловое поле, электрическое поле, магнитное поле, достаточно давно и широко известны и применяются в различных дисплеях и датчиках. Однако, полимерных материалов, которые изменяют свой цвет под воздействием механических сил, существует не много. Если такие материалы могут быть использованы на практике, то механические воздействия могут быть визуализированы легко и недорого. Например, использование подобных материалов в сенсорах сил напряжения, может наглядно демонстрировать опасные места соединений или конструкций изменением цвета, определяя это опасное место по напряженности структуры в данном месте.

Рис.1. Цвета полимерной пленки до и после натяжения/сжатия

Поскольку полиацетилен нестабилен в воздухе, его использование на практике сильно осложнено. Тем не менее, известно, что полиацетилены с замещенными группами ведут себя стабильно в воздушной среде и пригодны для практических применений, например, для изготовления пленок из растворов. Японские ученые в AIST давно ведут исследования различных видов замещенных полиэтиленов, их физических и оптических характеристик.

Полимеризация ацетилена с замещенной фениловой группой в присутствии катализатора позволяет получить полимер в котором структура основной цепочки имеет вид спирали (рис.2). Тонкая пленка такого полимера была изготовлена спин-напылением из раствора хлороформа на бесцветную эластичную подложку. Итоговый цвет полученной пленки замещенного полиацетилена оказался желтым. При растяжении пленки, молекулы замещенного полиацетилена ориентируются вдоль направления приложения растягивающего напряжения. Дальнейшее растяжение приводило к изменению цвета с желтого на красный. Измерения спектра поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне спектра показали смещение максимума поглощения с 500 на 600 нм. При снятии нагрузки, происходит сжатие пленки и полный возврат цвета пленки к желтому, и, соответственно спектра поглощения к изначальному.

Рис.2. Химическая формула полимера, изменяющего цвет

Изменение цвета пленки происходит практически мгновенно при приложении нагрузки или снятии ее. Изменения цвета при механических воздействиях исследовались на многократную повторяемость и дали положительные результаты. Дополнительным результатом является то, что изменение цвета зависит не от изменения площади материала, а от приложенного натяжения.

Несмотря на то, что механизм изменения цвета пока не до конца понятен, тем не менее японские исследователи предполагают, что он связан с изменениями в длине молекул полимера в основной цепочке, происходящими при приложении растягивающих или сжимающих сил.

Эксперименты с пленками других видов замещенных полиацетиленов также оказались успешными – удалось получить и мгновенное изменение цвета при приложении и снятии нагрузок, обратимость этих изменений и многократную их повторяемость.

Евгений Биргер