แปลและเรียบเรียง โดย อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ภาพจาก https://phys.org/news/2019-04-polymer-reversibly-white.html

นักวิจัยจาก University of Fribourg’s Adolphe Merkle Institute (AMI) และ Hokkaido Universityพัฒนาโพลิเมอร์ผสมแบบยืดหยุ่นชนิดแรกที่เปล่งแสงฟลูออเรสเซนส์สีขาวเมื่อได้รับแรงเชิงกลจนเปลี่ยนรูปและหยุดเปล่งแสงเมื่อกลับคืนสู่รูปร่างเดิม การเปล่งแสงช่วยส่งสัญญาณเตือนก่อนที่โพลิเมอร์จะเกิดความเสียหายจากการได้รับแรงเชิงกลเกินขนาด

โดยทั่วไปวิธีการสังเคราะห์โพลิเมอร์ที่ไวต่อแรงเชิงกลทำโดยผสมเซ็นเซอร์โมเลกุลที่มีพันธะเคมีที่ไม่แข็งแรงนัก เพื่อทำให้เกิดการแตกพันธะเมื่อได้รับแรงเชิงกลเกินขนาดซึ่งจะส่งผลต่อการเปลี่ยนสี แต่ข้อจำกัดของวิธีนี้คือ ไม่มีความจำเพาะเจาะจง เนื่องจากพันธะเคมีที่อ่อนแอถูกทำลายได้โดยสิ่งกระตุ้นอื่นๆ เช่น ความร้อน และแสง

เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยจาก University of Fribourg’s Adolphe Merkle Institute (AMI) และ Hokkaido University จึงเปลี่ยนมาใช้เซ็นเซอร์โมเลกุลชนิดใหม่ที่ถูกกระตุ้นได้ด้วยแรงเชิงกลเท่านั้น พวกเขาใช้เซ็นเซอร์โมเลกุลโรทาเซน (stress-sensing rotaxane) โมเลกุลชนิดนี้ประกอบด้วย 2 ส่วนเชื่อมต่อกันคือ โมเลกุลรูปร่างแบบวงแหวนที่ยึดติดกับฟลูออเรสเซนส์โมเลกุล (น้ำเงิน เขียว ส้ม) ที่ร้อยอยู่ตรงกลางของโมเลกุลที่มีรูปร่างแบบดัมเบลล์ โดยปลายสีเทาทั้ง 2 ด้านของดัมเบลล์เป็นตัวกีดขวาง (stopper) ส่วนก้อนสีน้ำตาลที่อยู่ตรงแกนกลางของดัมเบลล์เป็นกลุ่มที่ระงับการเปล่งแสง (quencher) (ภาพที่ 1)

ภาพจาก: https://indianexpress.com/article/technology/science/water-resistant-electronic-skin-with-self-healing-abilities-created-5634365/

ภาพที่ 1 ลักษณะของเซ็นเซอร์โมเลกุลชนิดใหม่ที่ทีมวิจัยใช้ผสมในโพลิเมอร์ (ซ้าย) โพลิเมอร์ในสภาวะที่ยังไม่โดนดึง (ขวา) เมื่อมีแรงเชิงกล (F) กระทำต่อโพลิเมอร์จนยืด ทำให้โมเลกุลวงแหวนถูกดึงออกจากกลุ่มที่ระงับการเปล่งแสงจึงเกิดการเปล่งแสงขาว

เมื่อโพลิเมอร์ยังไม่มีแรงเชิงกลมากระทำ กลุ่มที่ระงับการเปล่งแสงจะอยู่ใกล้กับโมเลกุลรูปร่างแบบวงแหวนที่ยึดติดกับฟลูออเรสเซนส์โมเลกุล ทำให้ฟลูออเรสเซนส์โมเลกุลไม่สามารถเปล่งแสงได้ภายใต้แสงยูวี แต่การดึงโพลิเมอร์ให้ยืดออกจะทำให้กลุ่มที่ระงับการเปล่งแสงแยกออกจากฟลูออเรสเซนส์โมเลกุล จึงเกิดการเปล่งแสงขึ้น และเมื่อโพลิเมอร์หดกลับคืนสู่รูปร่างเดิม การเปล่งแสงจะไม่เกิด ซึ่งการเปล่งแสงนี้สามารถเกิดแบบผันกลับได้ อีกทั้งแสงและความร้อนไม่ส่งผลกระทบต่อการเปล่งแสงด้วย

นักวิจัยพัฒนาโพลิยูริเทนแบบใหม่ 3 ชนิดที่สามารถเปล่งแสงสีน้ำเงิน เขียว และส้มเมื่อถูกดึงยืด ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถปรับเปลี่ยนสีได้ตามต้องการเพียงเปลี่ยนชนิดของฟลูออเรสเซนส์โมเลกุลในโครงสร้างของโรทาเซน ส่วนความเข้มของแสงที่เปล่งออกมาจะสัมพันธ์กับโพลิเมอร์นั้นว่าถูกดึงยืดมากน้อยเพียงใด อีกทั้งการนำโพลิยูริเทนทั้ง 3 ชนิดมาผสมรวมกันจะทำให้โพลิเมอร์ผสมนี้เปล่งแสงสีขาวเมื่อถูกดึงยืด และสามารถหยุดเปล่งแสงเมื่อหยุดดึงและโพลิเมอร์หดกลับ การที่การเปล่งแสงสามารถเกิดแบบผันกลับได้ (ON/OFF) เนื่องจากไม่มีการแตกของพันธะเคมีภายในเซ็นเซอร์โมเลกุลนั่นเอง

เครดิตภาพ: Hokkaido University

ภาพที่ 2 ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการทำให้โพลิเมอร์เปล่งแสงขาว (ล่างสุด) โดยการรวมเซ็นเซอร์โมเลกุลที่เปล่งแสงสีส้ม น้ำเงิน และเขียว ตามลำดับ

คลิปจาก: https://www.youtube.com/watch?v=SQQJvUJ_z-8

เครดิต: https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2019/acs-presspac-april-24-2019/polymer-reversibly-glows-white-when-stretched-video.html

งานวิจัยนี้สามารถใช้ติดตามชิ้นส่วนและส่งสัญญาณเตือนที่มองเห็นได้ก่อนที่ชิ้นส่วนนั้นจะเกิดความเสียหาย หรือช่วยให้วิศวกรออกแบบชิ้นส่วนให้เหมาะกับการรับภาระได้ดีขึ้น หรือศึกษาการถ่ายโอนความเค้น (stress transfer) ในระดับโมเลกุลของวัสดุสังเคราะห์หรือระบบของสิ่งมีชีวิต

ทีมวิจัยกำลังร่วมกันออกแบบให้สามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงได้ง่ายขึ้น เช่น เกิดการเปลี่ยนสีแทนการเกิดฟลูออเรสเซนส์ เนื่องจากไม่ต้องใช้วิธีหรือเครื่องมืออื่นช่วยซึ่งจะเป็นประโยชน์ในทางปฏิบัติมากกว่า

สนใจอ่านข้อมูลเพิ่มเติมที่

  • https://phys.org/news/2019-04-polymer-reversibly-white.html
  • https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-04/acs-prg041919.php
  • https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acscentsci.9b00173
  • https://www.youtube.com/watch?v=SQQJvUJ_z-8

 

Scroll Up