رنگزاهای هوشمند

با پیشرفت تکنولوژی و استفاده ی روزمره افراد از گجت ها و دیگر وسایل هوشمند، توجه محققان به رنگزاهای هوشمند بیش از گذشته جلب شده است. علاوه بر قابلیت های متنوعی که پارچه ها و لباس های هوشمند در اختیار مصرف کنندگان قرار می دهند، تولیدکنندگان و طراحان نیز به علت سرعت و دقت فرآیند تولید و طراحی به سمت استفاده ی بیشتر از آنها روی آورده اند. این گزارش به بررسی چند نوع رنگزای هوشمند، موارد استفاده و زمینه های پرکاربرد آنها می پردازد.

رنگزای هوشمند
رنگی دیده شدن یک جسم وابسته به خواص مولکولی آن است. ترکیب اتم ها در یک مولکول و قرارگیری مولکول ها نسبت به یکدیگر نوع انعکاس و در نتیجه رنگ را تعیین می کند. یک جسم قرمز رنگ توانایی انعکاس را به گونه ای دارد که در مواجه با نور قرمز دیده شود. هر تغییر در آرایش مولکول ها و نوع پیوند مواد باعث تغییر در نور منعکس شده و در پی آن تغییر رنگ ماده می شود. اگر این تغییرات در رنگ قابل بازگشت باشند، به رنگزای استفاده شده هوشمند گفته می شود.
مطالعات در مورد رنگزاهای هوشمند به قرن 19 بر می گردد. اولین اثر فتوکرومیک در مواجهه با UV توسط J.Fritzche در یک محلول تتراسین و بعدها توسط E.ter Meer برروی نمک پتاسیم دی نیترومتان جامد انجام شد. تاکنون تعدادی از رنگ های هوشمند شناخته شده اند که طبیعی یا سنتنز شده هستند و در میان اینها تعداد کمی برای رنگرزی پارچه مناسب اند که مقاومت لازم را در برابر شوینده ها، نور، دمای بالا و اتو دارند و تعداد بسیار کمی قابلیت تغییر قابل بازگشت را دارند. این رنگزاها پتانسیل بسیار بالایی در فشن، دکوراسیون، اسباب بازی، لباسهای که در استتار استفاده می شوند، تنظیم دمایی، سنسورهای انعطاف پذیر هوشمند و… دارند.
پدیده ی تغییر رنگ قابل بازگشت کرومیسم chromism نام دارد و بر پایه ی تغییر چگالی الکترون در مواد، به خصوص وضعیت الکترونی d یا II و یا تغییر در آرایش سوپرمولکول ماده، است.
از انواع کرومیسم می توان به این موارد اشاره کرد:
1. فتوکرومیسم: در طی یک فرآیند فتوشیمیایی قابل بازگشت ساختار یک ماده ی فتوکرومیک تغییر یافته و در نتیجه میزان جذب الکترومغناطیسی در برخورد با UV تغییر می کند.
2. ترموکرومیسم: ترموکرومیسم یک تغییر قابل بازگشت در سطح مولکولی یا چند مولکولی است که با گرما القا شده و با تغییرات درون محدوده ی جذب یک مولکول ترموکرومیک، معمولا در محدوده ی نور مرئی، رابطه مستقیم دارد. برای استفاده در نساجی ایده آل این است که تغییرات بین محیط و دمای بدن انجام شود.
3. الکترومیسم: الکتروکرومیسم که توسط گرفتن یا از دست دادن الکترون ها القا می شود، یک تغییر قابل برگشت رنگ است که به دلیل واکنش کاهش الکتروشیمیایی (اکسید و احیا) رخ می دهد. یک واکنش کاهش توسط ولتاژهای زیر یک یا چند ولت تحریک می شود و تحت تاثیر موج الکتریکی، مواد الکتروکرومیک رنگ خودشان را از بی رنگ به رنگ دار تغییر می دهند. مثالی از این عناصر پلی آنیلین است که با توجه به پتانسیل الکتریکی زرد، آبی تیره یا مشکی می شوند.
4. مکانوکرومیسم: یک تغییر قابل برگشت رنگ عناصر به علت تغییر فرم، مانند بزرگتر شدن یا فشرده شدن، است.

شکل 1: تغییرررنگ بر اثر حرارت در ایندیوم اکسید

استفاده از پیگمان های آلی ترموکرومیک در نساجی در حال افزایش است. با این حال، انتخاب رنگزایی که در منفی 15 تا مثبت 40 درجه ی سانتیگراد قابلیت تغییر رنگ داشته باشد، با محدودیت روبروست. برای بدست آوردن غلظت مناسب رنگ باید از این مواد به میزان زیاد استفاده کرد. رنگزاهای فتوکرومیک به علت پایداری کم نسبت به انواع ترموکرومیک کمتر استفاده میشوند. علاوه بر استفاده در لباس و تزئینات در پارچه به منظور تنظیم دما، استتار، پزشکی و حفاظت استفاده می شوند.

موارد استفاده
استفاده در لباس و تزئینات
اولین نمونه های این نوع پارچه ها در دهه ی 1980 تولید شدند. تولید کننده ی ژاپنی “کانبو ال تی دی” از اسپیروپیران های میکروکپسوله برای چاپ بر روی پارچه استفاده کرد. در این تولیدات رنگ پارچه تحت تاثیر UV با طول موج 350-400 نانومتر، به صورت قابل برگشت از آبی کم رنگ به آبی پر تغییر یافت. در آخر دهه 1980، اسپیرواکسازین های پایدارتر جایگزین اسپیروپیران های نامتعادل شدند. در این زمان شرکت TORAY پروسه ی پوشش پارچه با رنگ های فتوکرومیک را آغاز کرد. پارچه ی مورد نظر با نام تجاری Sway UV وارد بازار شد و تحت تاثیر اشعه UV توانایی تغییر رنگ به آبی یا بنفش را داشت. از این پارچه برای تی شرت ها، پولو شرت ها، کاپشن و … استفاده شد.

شکل 2: تغییر رنگ Sway UV

این شرکت یک مدل چند رنگ دیگر از همین نوع پارچه را بر اساس پیگمان های آلی ترموکرومیک معرفی کرد. این پارچه میتواند 64 رنگ مختلف را در فواصل دمایی 5 درجه از منفی 40 تا مثبت 80 را نشان دهد. آنها در تولید این پارچه از فناوری میکروکپسول ها در 4 رنگزای ترموکرومیک استفاده کردند که تغییر رنگ از سفید به صورتی، آبی به مشکی، زرد به آبی و صورتی به خاکستری را در پارچه ممکن کرد. با توجه به کاربری محصول تغییرات رنگ به گونه‌‌ ای طراحی میشد تا در 11 تا 19 درجه ی سانتی گراد برای لباس اسکی، 13 تا 22 درجه ی سانتیگراد برای لباس بانوان و 24 تا 32 درجه ی سانتی گراد در پنجره ها از آن استفاده شود.
شرکت ژاپنی ماتسو-شیکیسو پروسه ی هایپرکالر را برای چاپ بر روی پارچه های پنبه ای با پیگمان های آلی ترموکرومیک با قابلیت ترموکرومیک منفی طراحی کرد. حق استفاده ی انحصاری این طرح به شرکت لباس ورزشی جنرا داده شد که تی شرت هایی با قابلیت چند تغییر رنگ را در اواخر 1980 و 1990 تولید کردند. امروزه پیگمان های آلی ترموکرومیک بیشتر برای گلدوزی بر روی پارچه استفاده می شوند، مانند نخ های بافت برای چاپ حرارتی بر روی انواع پارچه ها.

شکل 3: نمونه پارچه های هایپرکالر

در دهه ی 1980 روشی برای پوشش چرم و پوست با کریستال های مایع ترموکرومیک ثبت شد. این روش شامل آماده کردن و پخش میکروکپسول های ترموکرومیک به همراه بایندر امولگاسیون سنتزی (ونیل آکریلیک، متاکلریک یا رنگ های آمیدی) در آب بود که توسط چاپ اسکرین انجام می شد. رنگ آمیزی نمونه های چاپ در 16-22 ، 22-28 و 26-31 درجه ی سانتی گراد انجام شد. در این منسوجات رنگ در زوایای مختلف متفاوت دیده میشود.
رنگزاهای ترموکرومیکی که برای نخ های دارای فیبرهای فلزی استفاده می شوند، توسط حرارت حاصله از قراری گیری در معرض ولتاژ دارای رنگ میشوند. پلید الکتریک اولین نمایشگر با قابلیت تغییر رنگ برنامه ریزی شده است که مانند یک نمایشگر کامپیوتری این کار را انجام می هد. با تقسیم ساختار پارچه به 64 قسمت الکترونیکی، که رنگشان برنامه ریزی شده است، امکان طراحی گستره ای از طرح ها و ترکیبات بر روی پارچه وجود دارد.

شکل 4: نمونه ی استفاده از نخ های هادی در بافت پارچه

علاوه بر آنچه گفته شد، توسط رنگزاهای مکانوکرومیک می توان افکت های مختلفی روی پارچه ایجاد کرد. پلی دی استیلن های متصل به پلی اورتان ها بر اثر فشردگی یا کشش تغییر رنگ میدهند. از این روش در تولید لباس، کفش و دیگر منسوجات الکترواسپان استفاده می شود.

شکل 5: نمونه تغییر رنگ یک محصول الکترواسپان

تنظیم حرارتی
تغییر رنگ قابل بازگشت رنگزا جذب گرمایی پارچه را به صورت غیرمستقیم تحت تاثیر قرار می دهد. شیدهای کمرنگ تر و رنگ سفید پیگمان های ترموکرومیک باعث افزایش انعکاس و شیدهای تیره تر باعث افزایش جذب گرما می شوند. با توجه به سفید شدن این مواد بر اثر دمای زیاد اطراف و درنتیجه انعکاس گرما می توان از این قابلیت در لباس آتش نشان ها و یا پوشش ساختمان ها بهره برد.
رنگزاهای ترموکرومیک می توانند تغییرات ابعادی الیاف را تسریع ببخشند. در دماهای محیطی بالاتر الیافی که رنگزای ترموکرومیک دارند، کوتاه تر شده و در نتیجه منافذ پارچه بزرگتر و نفوذ هوا به بافت بیشتر و در نتیجه بدن خنک تر می شود. در هوای سرد حفره ها ریزتر، الیاف بزرگتر و در نتیجه نفوذپذیری کمتر و گرمای بدن حفظ می شود.
رنگزاهای هوشمند برای استتار
استتار پنهان کردن افراد یا اشیاء توسط تقلید رنگ و طرح محیط اطراف است. امروزه در تجهیزات نظامی و ورزش های شکاری برای پوشش افراد و وسایل از این رنگزاها استفاده می شود. رنگزاهای عمومی که توانایی ظهور تغییرات قابل بازگشت را ندارند، استتار کافی را در شرایط نوری مختلف به وجود نمی آورند و شدت رنگ و طرح بدون توجه به شدت نور یکسان می ماند. آغاز استفاده از رنگزاهای فتوکرومیک به این منظور به دهه ی 1960 باز می گردد، وقتی شرکت امریکن سینامید برای اولین بار از اسپیروپیران های فتوکرومیک استفاده کرد. در 1998 کانر توانست روشی برای تطابق رنگ در درجات مختلف تابش نور ابداع کند. ترکیب افزایشی رنگزاهای فتوکرومیک و رنگزاهای معمول قابلیت گسترده تری در استتار دارد. از نظر کانر رنگزای فتوکرومیک مناسب برای استتار، رنگزای فتوکرومیک هتروسایکل دارای اکریل با نام تجاری ریورساکل هست. محققان در شرکت دوپون در حال پیدا کردن راهی برای نامرئی کردن سربازان توسط این رنگزاها هستند.

شکل 6: لنزهای عینک هوشمند ریورساکل

سنسورهای UV انعطلاف پذیر
سنسورهای UV انعطاف پذیر فرد را از قرارگرفتن در معرض اشعه های UV با خبر می کنند. این یک روش ساده و آسان برای مصرف کنندگان است تحت تاثیر تابش UV، منحنی انعکاس ماده در محدوده ی مرئی تغیر می کند و رنگ ظاهر می شود.
جذب کننده های فرابنفش موادی هستند که قادرند تشعشات خطرناک فرابنفش را جذب کنند. از دید مصرف کننده، محافظت کافی در برابر اشعه فرابنفش در یک محصول پارچه ای اهمیت زیادی دارد. از آنجایی که این روش یک روش آسان برای محافظت دربرابر UV به حساب می رود، لازم است تا تحقیقات بیشتری روی رنگزاهایی با این قابلیت انجام شود.
رنگزاهای کموکرومیک هوشمند
ECI بیوتک وریستر اولین بیوسنسور بر اساس رنگزاهای کموکرومیک را معرفی کرد، که می تواند در پارچه استفاده شود. این فناوری جدید بر پایه ی تشخیص رنگ پروتئین هاست. یک بیوسنسورپروتئین هایی مانند پروتئازهای ویژه ی میکروبی را در غشای خارجی باکتری پاتوژن تشخیص می دهد. این بیوسنسور که در لایه ی زیرین رنگزا قرار می گیرد با تغییر رنگ مصرف کننده را از خطر آگاه می کند. این محصول با نام تجاری اکسپرس دیتکت شناخته می شود. یک بیوسنسر عملا می تواند در سطح هر ماده ای قرار بگیرد. نخ دندان، پوشک، سواب، پد بهداشتی، دستمال، باند زخم، سوند، ظرف های نگهداری نمونه و … از دیگر موارد استفاده ی این رنگزاهاست.
علاوه بر این، از این رنگزاها میتوان در ساخت لباس های حفاظتی برای تشخیص گازهای خطرناک در مرحله ساخت استفاده کرد. تغییر رنگ لباس فرد را از محل خروج گاز سمی، مسیر انتشار و شدت گاز مطلع می کند. در مقایسه با دیگر تابش سنج هایی که امروزه استفاده می شوند، این روش آسان تر، مقرون به صرفه تر و سریع تر است.
رنگزاهای فتوکرومیک محلول در آب
ساخت رنگزاهای فتوکرومیک محلول در آب قدمی رو به جلو در ساخت رنگزاهای ارزان تر برای پارچه و چرم است. این رنگزاها برای رنگ کردن مواد پروتئینی مانند کفش های چرم و اکسسوری ها، لباس های از جنس ابریشم و مبلمان طراحی شده اند. تحت تاثیر تابش فرابفش (طول موج ماکسیمم 370 نانومتر) یک ماده ی رنگ شده از جنس سیلک (در غلظت 2% واحد وزنی) تغییر رنگی از رنگ زرد-سبز اولیه را بروز می دهد. تغییرات رنگ پس از رنگ شدن در حالت خیس بیشتر قابل تشخیص اند. ثبات شستشو و دوام این پارچه های سیلک متوسط است.
اگر چه محدودیت های مانند آلرژن بودن برخی از این رنگزاها و یا قیمت بالای تولید آنها وجود دارد، دورنمای استفاده از این رنگزاها در پزشکی و دیگر صنایع بسیار روشن است. رنگزاها به آسانی جایگزین روش های پیچیده ی تشخیص و پاسخ به تحریکات محیطی می شوند و در مقایسه با دستگاه های گران قیمت بسیار به صرفه اند. با کاهش هزینه های تولید می توان از این رنگزاها استفاده ی روزمره گسترده تری داشت؛ به طوری که برای همه در دسترس و قابل استفاده شود.