MIT 開發可任意改變顏色的新凝膠

New gel changes color on demand
http://www.physorg.com/news112195159.html

October 21, 2007

MIT 研究者創造初一種新的、結構化凝膠（structured gel），那能依據不同的刺激快速地改變其顏色。這些刺激包括：溫度、壓力、鹽度與溼度。

在其他應用方面，這種結構化凝膠能當成一種快速且便宜的化學感應器，Edwin Thomas 說，MIT 材料科學與工程學 Morris Cohen 教授。像這樣的環境感應器對食物處理工廠可能會十分有用，在這裡感應器能用來指示需要持續乾燥的食物是否過度暴露在溼氣中。

Thomas 是一篇於 10/21 的 Nature Materials 線上版發表的文章的資深作者。

這種結構化凝膠的關鍵成份之一是種材料，當暴露在某些刺激之下時，會伸展或收縮。這會改變凝膠的厚度，進而導致它顏色的改變能遍及整個可見光光譜範圍。

能反射出不同顏色的物體，端賴你觀察它們的方式，不過一但這些物體被製造出來，它們的特性就無法改變。MIT 團隊開始創造出一種材料，那會回應外部的刺激而改變顏色。

"我們想要開發某些「可調整的」某樣東西，" Thomas 說，他是 MIT 材料科學與工程的系的系主任。

為了辦到這件事，他們以一種能自我組裝的塊狀共聚合物（block copolymer）薄膜開始，由 polystyrene（聚苯乙烯，PS）與poly-2-vinyl-pyridine（聚-2-乙烯吡啶，2VP）這兩種材料交替層疊而成。這些層次的厚度與它們的折射率決定哪種顏色的光將會被這種凝膠所反射。

藉由保持 polystyrene 層的厚度固定，並以外界刺激，如 pH 值與鹽度改變 poly-2-vinyl-pyridine 層的厚度，研究者能夠在幾分之一秒內改變凝膠的顏色。

"這是製造光子材料（photonic materials）一種巧妙且容易實作的方法，其光學特性迅速在一個廣闊的範圍內轉變，" Andrew Lovinger 說，NSF 聚合物計畫的主管，他們資助該研究。

操縱 2VP 層厚度的關鍵是讓每段 2VP 塊上的氮帶正電荷，這樣會產生一個聚電解質鏈（polyelectrolyte chain），而其體積在水中可膨脹超過 1000 倍。

如果沿著此鏈骨幹上的電荷在電氣上受到防護，例如在摻入此凝膠的水中添加高濃度的鹽離子，2VP 鏈會塌陷成亂糟糟的一團，就像一團毛線球。當鹽離子被洗掉後，2VP 會再度變成帶正電，鏈會彼此排斥並且鬆開，導致每個 2VP 層擴展，接著這層材料就會反射不同的顏色。

因為這種 diblock 聚合物薄膜是一種一維的週期性堆疊，所以膨脹也會限制在一維，導致反射的波長色彩偏移（color shift）達 575%，這比起早期以三維格狀結構之帶電膠體所構成的變色凝膠要改進很多。因為這些凝膠在三維中擴展，所以其色域改變小多了。

這種新凝膠對於壓力、溼度與溫度改變亦很敏感。"你能夠使用機械力或化學力來獲得真正巨大的回應，從紫外線（300 nm）到紅外線（1600 nm），" Thomas 說。

該團隊亦在研究一種凝膠，那可根據所施加的電壓來改變顏色。

※ 相關報導：

＊ Broad-wavelength-range chemically tunable block-copolymer photonic gels
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2032.html

Youngjong Kang, Joseph J. Walish, Taras Gorishnyy &
Edwin L. Thomas
Nature Materials Published online: 21 October 2007
doi:10.1038/nmat2032

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