Химики разработали способ создавать стимул-чувствительные полимерные пленки

Сотрудники кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ представили простой и недорогой способ изготавливать композитные материалы, изменяющие цвет при механическом воздействии. Из сравнения свойств композитов на основе различных полимерных матриц сделаны выводы о применимости материалов для разнообразных практических задач. Работа поддержана грантом РНФ (22-13-00055). Результат опубликован в журнале Polymer.

Механочувствительные материалы способны изменять свойства в ответ на механическое воздействие. Измениться может цвет материала, его прозрачность, флуоресцентные характеристики и многое другое. Такие плёнки и изделия могут быть использованы для создания датчиков напряжения и деформации, защиты документов и ценных бумаг от подделок и для других интерактивных устройств.

«Недавно в нашей лаборатории были разработаны новые механочувствительные композиты, – рассказал автор исследования, сотрудник кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ Николай Баленко. – По сравнению с ранее полученными в разных лабораториях аналогами их проще и дешевле изготовить. В качестве чувствительного к механическому воздействию компонента мы используем холестерический жидкий кристалл, а способность сохранять форму и деформироваться придает эластичная полимерная матрица».

Структуру холестерического жидкого кристалла можно представить в виде слоеного пирога. В каждом «слое» палочкообразные молекулы располагаются в одной плоскости и направлены преимущественно в одну сторону. Молекулы последующего «слоя» повернуты по отношению к предыдущему на очень маленький угол. Таким образом формируется закрученная спиральная структура.

«Благодаря такой структуре холестерики обладают уникальными оптическими свойствами, – пояснил Николай Баленко. – Они способны отражать свет с длиной волны, пропорциональной расстоянию, за которое «слои» делают полный оборот, то есть шагу спирали. В наших композитах шаг спирали меняется при их механической деформации, что вызывает изменение цвета образца».

Чтобы механическое воздействие на образец вызвало изменение структуры холестерических жидких кристаллов, необходимо использовать мягкие и эластичные полимерные матрицы. Также матрица должна быть прозрачной, чтобы не препятствовать отражению света холестериком, и не растворяться в нем.

«Мы сравнили механооптические свойства композитов, важные для оценки эксплуатационных характеристик, на основе трех полимерных матриц, в которых были распределены капли одного и того же холестерического жидкого кристалла, – объяснил Николай Баленко. – И выяснили, что наиболее перспективны для практического использования полиуретановые композиты. Их дешево и просто изготовить, они обладают наилучшими свойствами и максимальным механооптическим откликом».

В будущем авторы модифицируют состав композитов для достижения дополнительных свойств. Ученые планируют получить светочувствительные и люминесцентные материалы введением в жидкий кристалл фотохромных соединений и флуоресцентных красителей, а также научиться регулировать амплитуду оптического отклика, спектрального сдвига, разработать подходы к получению композитных плёнок с необратимым механоиндуцированным изменением цвета.