Selbstorganisation von Hydroxypropylcellulose
 

Hydroxypropylcellulose (HPC) ist ein Cellulosederivat, das im flüssigkristallinen Zustand leuchtende Farben zeigt und auf äußere Reize reagiert. Es hat den Vorteil, biokompatibel und essbar zu sein, was es zu einem weit verbreiteten Verdickungsmittel in Pharmazeutika und Lebensmitteln macht (z.B. als Verdickungsmittel in Soßen und Dips und als Stabilisator in Schlagsahne).

Wir arbeiten mit Nippon Soda Co, Ltd zusammen, um die grundlegenden Prozesse der Selbstorganisation von HPC zu verstehen und dieses photonische System für reale Anwendungen zu optimieren.

Von farblos zu bunt: Wie geht das?

Die leuchtenden Farben, die mit HPC in Verbindung gebracht werden, sind auf ein Phänomen zurückzuführen, das als Strukturfärbung bekannt ist. Ein Glas Seifenlauge zum Beispiel erscheint farblos, aber wenn sich Blasen darin bilden, hat die dünne Hülle der Blasen Abmessungen, die den Wellenlängen des sichtbaren Lichts entsprechen. Diese durchsichtige Schicht interagiert mit dem Licht, was zu konstruktiven und destruktiven Interferenzen führt, die regenbogenähnliche Farben erzeugen. Die Struktur, die für die Färbung von HPC verantwortlich ist, wird als cholesterische Struktur bezeichnet. In dieser Struktur ordnen sich die Polymerketten zu einem verdrehten Stapel an, der Licht in einem schmalen Wellenlängenbereich, der den periodischen Abmessungen der Struktur entspricht, selektiv reflektiert.

Mögliche Anwendungen von HPC

Die cholesterische Struktur von HPC entsteht durch Selbstorganisation. Wird HPC - ein polymerer Flüssigkristall - im richtigen Verhältnis mit Wasser gemischt, bildet es spontan Helikoide. Diese Eigenschaft macht es zu einem einfach herzustellenden und zu verarbeitenden Farbmaterial, dessen Farbe durch Veränderung des Wassergehalts leicht eingestellt werden kann. Außerdem reagiert HPC auf Druck- und Temperaturänderungen. Wir untersuchen, wie diese helikoidalen Strukturen auf vertikale Kompression reagieren, und wir haben mit Hilfe einer Rolle-zu-Rolle-Maschine einen großflächigen Drucksensor entwickelt, mit dem wir den Fußdruck in einer für das menschliche Auge leicht verständlichen Weise visuell darstellen können.

Aktuelle Herausforderungen in der Forschung

Durch Variation der HPC-Konzentration kann eine Vielzahl von Farben erzeugt werden, was jedoch die weitere Entwicklung erschweren kann, da die Farben von trockenem HPC typischerweise im UV-Spektrum liegen. Unsere Abteilung konzentriert sich darauf, die Selbstorganisation von HPC durch optische Messungen zu verstehen und Methoden zu entwickeln, um ein sichtbar gefärbtes HPC-Festkörpermaterial herzustellen.