Farbveränderndes Wasser reflektiert einen Regenbogen von Farben und darüber hinaus

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Anonim

(Phys.org) -Wissenschaftler haben eine Mischung auf Wasserbasis geschaffen, die schnell ihre Farbe ändert, wenn sie einer Vielzahl von Reizen ausgesetzt wird, wie etwa einer Änderung des Magnetfelds, der Temperatur oder des pH-Werts. Die Wissenschaftler bezeichnen die Mischung als "photonisches Wasser" und können jede Farbe des sichtbaren Spektrums sowie Teile des ultravioletten und infraroten Spektrums reflektieren. Dieser Farbmodulationsbereich ist der größte, der jemals für ein beliebiges Material, ob fest oder flüssig, berichtet wurde.

Die Forscher, Koki Sano et al., von verschiedenen Institutionen in Japan, haben in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Nature Communications einen Artikel über das photonische Wasser veröffentlicht.

"Unser photonisches Wasser realisiert zwei scheinbar widersprüchliche Eigenschaften: Fluidität und Ordnung", sagte Co- Autor Yasuhiro Ishida vom RIKEN-Zentrum für Emerging Matter Science in Saitama, Japan gegenüber Phys.org. "Dies unterscheidet sich deutlich von der allgemein angenommenen Vorstellung, dass photonische Materialien aus harten Materialien bestehen sollten."

Die Forscher stießen zufällig auf die einzigartige Mischung, als sie versuchten, bestimmte Partikel nach Größe zu trennen. Obwohl diese Experimente nicht erfolgreich waren, waren die Wissenschaftler überrascht, als sie bei der Platzierung eines der Produkte in Wasser eine lebhafte violette Farbe annahmen.

Darüber hinaus fanden die Wissenschaftler heraus, dass die bunte Mischung sowohl Fließfähigkeit als auch Ordnung zeigt, was widersprüchlich erscheint, weil Fluide typischerweise sehr ungeordnet sind. Aber die neue Mischung hat die ungewöhnliche Eigenschaft, dass sie wie eine Kristallstruktur hoch geordnet ist. Außerdem ist der periodische Abstand (der Abstand zwischen sich wiederholenden Einheiten) extrem groß, bis zu 675 nm. Diese Trennung entspricht einer Reflexionswellenlänge von 1750 nm (im Infrarotbereich), und bei geeigneter Abstimmung kann das Fluid Licht über das gesamte sichtbare Spektrum reflektieren, das aus Wellenlängen von etwa 400 bis 700 nm besteht. Der Reflexionsbereich erstreckt sich auch im ultravioletten Bereich bis zu 370 nm. Dieser Bereich von 370 bis 1750 nm ist der breiteste Farbmodulationsbereich, der jemals für irgendein photonisches oder "Licht modulierendes" Material berichtet wurde.

Wie reflektiert die Flüssigkeit all diese Farben? Wie der Name schon sagt, ist photonisches Wasser meist gewöhnliches Wasser: es ist mehr als 99, 5% Wasser pro Volumen. Die restlichen 0, 5% enthalten die "aktiven Bestandteile", die Titanat-Nanoschichten und quartäres Ammonium (Q + -Ionen) sind. Wenn diese Zutaten zu Wasser gegeben werden, lösen sie sich nicht wie Salz oder Zucker auf, sondern bleiben wie Sand in Wasser intakt. Die nicht auflösenden Teilchen heißen Kolloide, und wenn sie in Wasser dispergiert sind, bilden sie eine Kolloiddispersion, die sich jedoch von keiner anderen bisher bekannten Kolloiddispersion unterscheidet.

Die Einzigartigkeit der neuen Kolloiddispersion kommt von ihrer langen periodischen Struktur, wie oben erwähnt, die wiederum entsteht, weil das Kolloid hoch elektrisch geladen ist. Die Titanat-Nanoschichten haben eine sehr starke negative Ladung, so dass sich die 0, 75 nm dicken Schichten stark abstoßen. Normalerweise wird diese Abstoßung durch eine Wolke positiv geladener Q + -Ionen im quartären Ammonium, die die Titanat-Nanoblätter umgeben, stark reduziert. Die Q + -Ionen schirmen effektiv einen Großteil der negativen elektrostatischen Abstoßung zwischen den Titanat-Nanoblättern ab.

Die Wissenschaftler fanden jedoch heraus, dass die kolloidale Dispersion violett wird, wenn einige der Q + -Ionen durch Zentrifugieren entfernt werden (der Prozess, bei dem sie ursprünglich versuchten, die Kolloide basierend auf ihrer Größe zu trennen). Ohne die Q + -Ionen zur Abschirmung der Abstoßung breiteten sich die Titanat-Nanoschichten so weit wie möglich auseinander. Als Ergebnis wird die gesamte Flüssigkeit stark strukturiert, mit langen periodischen Abständen, die bewirken, dass die Flüssigkeit lange Lichtwellenlängen reflektiert. Im Gegensatz dazu fehlt gewöhnlichem Wasser diese hochgeordnete, langperiodische Struktur, und so reflektiert es Licht mit Wellenlängen, die viel kürzer sind als jene im sichtbaren Bereich, wodurch es transparent wird.

Die Forscher zeigten, dass die Farbe des photonischen Wassers schnell und reversibel verändert werden kann, indem die kolloidale Dispersion in einem starken Magnetfeld angeordnet wird, wodurch die Titanat-Nanoblätter senkrecht zum Feld ausgerichtet werden. In ähnlicher Weise verändert das Erwärmen und Abkühlen des photonischen Wassers den Abstand zwischen den Nanoblättern und damit die Farbe. Schon kleine pH-Änderungen bewirken einen Farbwechsel von Rot (7.9) nach Grün (7.7) nach Blau (7.3), wiederum aufgrund der Veränderung der elektrostatischen Abstoßung und damit der Struktur und Farbe des photonischen Wassers.

Im Allgemeinen haben photonische Materialien, die Licht im nahen Infrarotbereich reflektieren, wichtige Anwendungen in der Telekommunikation, obwohl sie derzeit sehr schwierig herzustellen sind. Photonisches Wasser könnte in diesem und anderen Bereichen potentiell genutzt werden.

"Angesichts der Reaktionsfähigkeit der Stimuli und der weitreichenden Farbmodulation kann unser photonisches Wasser verschiedene Anwendungen als intelligente optische Geräte finden, einschließlich optischer Sensoren und Displays, Nahinfrarotbandfilter für die Telekommunikation, variable photonische Laser usw.", sagte Ishida.

Die Forscher erwarten, dass die Ergebnisse auch jenseits von Flüssigkeiten Anwendung finden werden. Zum Beispiel können die hier entwickelten Methoden zur Erhöhung der elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen Titanat-Nanoblättern auf Titan-Nanoblätter angewendet werden, die aufgrund ihrer elektrostatischen Abstoßung kürzlich zu weichen Materialien mit einzigartigen Funktionen entwickelt wurden.

Die Forscher hoffen, dass die überraschende Entdeckung photonischen Wassers "das traditionelle Feld der kolloidalen Wissenschaften neu beleben wird".

"Nicht nur für Titanit-Nanoschichten, sondern auch für andere kolloidale Systeme würde die Verstärkung der elektrostatischen Abstoßungskräfte einen großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien haben", sagte Ishida.

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