Araştırmacılar Katmanlı Polimerlerde Sarmal Vida Dislokasyonları Keşfettiler
Fotoğraf: Bir sarmal yapının iki yüzeyi vardır. Bir taraf A malzemesi, diğer taraf B malzemesi ise, B tabakasını geçmeden A tabakası içinde kalan kusur boyunca kesintisiz olarak çaprazlama yapmak mümkündür.
Kısa süre önce, malzeme bilimi ve mühendisliği bölümünde profesör olan Dr. Edwin L. Thomas ve Texas A&M Üniversitesi ve Yonsei Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı, katmanlı polimerlerde çözücülerin katmanlar arasında nasıl yayılabileceğini ve renk değişikliklerine sebep olabileceğini ortaya çıkaran sarmal şekilli bir kusur keşfettiler.
Bu araştırma yakın zamanda Science Advances’te yayımlandı.
Sıcaklık göstergeleri veya sağlık alanında kullanılan sensörler gibi bazı insan etkileşimli elektroniklerde uyaranlara bağlı olarak renk değiştirebilen polimerler kullanılır. Bu fenomen, malzeme bir çözücü veya çözelti gibi çevresel değişiklikler etkisi altında reaksiyona girip renk değiştirdiği için, ‘uyaranlara duyarlı yapısal renk’ olarak adlandırılır.
İki katmandan (A ve B) oluşan ve tek boyutlu periyodik bir yapıya sahip olan malzemeler, fotonik kristal gibi davranırlar ve her katmanın kalınlığına bağlı olarak belirli bir dalga boyundaki (renk) ışığı yansıtabilirler. Uyaranlara duyarlı yapısal renk, dış uyaranlar veya kuvvetler kullanılarak fotonik kristallerin değiştirilmeleriyle oluşur. Her polimer katmanının kalınlığı, yansıyan ışığın rengini etkiler. Bir malzemedeki tüm katmanlar aynı kalınlıktaysa, tek bir renk yansıtılır. Malzemenin farklı kısımları, her biri farklı kalınlığa sahip katman yığınlarından oluşuyorsa, her katman farklı bir rengi yansıtır ve malzeme tüm renkleri yansıtan normal bir metal malzeme gibi görünür.
Bazı durumlarda, polimer katmanlarından belirli olan birini şişirmek ve renk değişikliklerinin oluşmasına neden olmak için tercihen bir çözücü kullanılır. Araştırmacılar, bu malzemelerde beklenen katmanların şiştiğini fark ettiler, ancak, çözücünün şişmeyen katmanlardan şişmesi gereken katmanlara nasıl sızdığı/geçtiği belirsizdi.
Thomas, “Diyelim ki çoklu A ve B polimer katmanlarının üzerine bir çözücü koyduk. İlk A katmanı şişer, sonra gelen B katmanı şişmez, ancak bir sonraki A katmanı şişer. İkinci A çözücü katmanı B katmanından nasıl geçer? Genel polimer yapısında çözücünün diğer katmanlara geçişine olanak veren bir şey olması gerektiğini fark ettik.” diyor.
Araştırmacılar, polimerlerin içinde neler gerçekleştiğini ortaya çıkarmak için, 3 boyutlu nesnelerin kesitlerinin iki boyutlu görüntülerini alarak yeniden yapılandırma tekniği olan, bir tomogram geliştirmek için elektron ışını kullandılar.
Thomas, “Bir somun ekmeğiniz olduğunu ve somunun içinde bir yerde bir delik olup olmadığını bilmek istediğinizi varsayalım.” diyor. “İnce dilimlerseniz sonunda delikle karşılaşırsınız. Dilimlemeye devam ederseniz delik kaybolur. Tüm dilimlere bakarsanız deliklerin tam olarak nerede olduğunu anlayabilirsiniz. Bu işlem, tomografi prensibine benzer.”
Araştırmacılar, bu yöntemi kullanarak, polimer fotonik kristal malzeme içinde sarmal vida dislokasyonlarının (kusurlarının) mevcut olduğunu, bunların da çözücünün farklı katmanlara kolayca ve hızlı bir şekilde geçmesine olanak vererek şişmeye neden olduğunu ve uyaranlara duyarlı yapısal renk değişikliklerine sebep olduğunu keşfettiler.
Genel anlamıyla, kusurlar yüksek enerji ile ilişkilidir ve tekildir, bir yerde meydana gelen periyodikliği aniden bozarlar. Buna karşılık, sarmal kusurlar tekil değildir ve kendiliğinden oluşurlar; bu durum malzemeler için bir avantajdır.
Thomas, “Bu, malzeme özelliklerine katkıda bulunan, çözücü ve hızlı şişme ile malzemeye hızlı ve verimli bir şekilde nüfuz etmesini sağlayan iyi bir kusur türü.” diyor.
Uyaranlara duyarlı yapısal renk, sağlık alanında kullanılan sensörler ve insan etkileşimli elektronikler gibi cihazlar için mükemmel bir potansiyel sunduğundan, yanal aralığın veya sarmal kusurların miktarının kontrol edilmesi gelecekteki uygulamalarda kritik bir faktör olabilir.
“Bu kusurlar şu anda olumlu bir etki yaratıyor, ancak bu durum yapılan uygulamaya bağlı.” diyor. “Karşılaşacağımız sıradaki zorluk, bu kusurların aralığını ve miktarını nasıl kontrol edeceğimizi ve bu sayede de sıvının katmanlar arasında hareket etmesi için geçen süre üzerinde nasıl daha fazla kontrole sahip olacağımızı çözmek. Bu kusurları anlamak, bu teknolojinin kullanılabileceği uygulama sayısını artırmanın anahtarıdır.”
Kaynak: phys.org