Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Forscherteam entwickelt druckbare Wassersensoren

Röntgenuntersuchung zeigt Arbeitsweise der funktionalen Verbindung auf Kupferbasis

05.03.2019

UAM, Verónica García Vegas

Im trockenen Zustand (links; hier in einer wasserfreien Flüssigkeit) ist das Sensormaterial violett, im feuchten Zustand blau. Die hier gezeigten Werkstücke sind jeweils rund einen Zentimeter breit.

Ein spanisch-israelisches Forscherteam hat ein ausdruckbares Material entwickelt, das als vielseitiger und robuster Wasserdetektor eingesetzt werden kann. Der Stoff auf Polymerbasis ist günstig, flexibel und ungiftig und ändert seine Farbe in Gegenwart kleiner Mengen Wasser von Violett zu Blau. Mit Hilfe von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III haben die Wissenschaftler unter Leitung von Pilar Amo-Ocha von der Autonomen Universität Madrid (UAM) die durch Wasser ausgelösten Strukturänderungen in dem Material erkundet, die der beobachteten Farbänderung zugrunde liegen. Die Entwicklung öffne die Tür zur Erzeugung einer neuen Familie 3D-druckbarer funktionaler Materialien, schreibt das Team im Fachblatt „Advanced Functional Materials“.

Auf zahlreichen Gebieten wie beispielsweise Gesundheit, Lebensmittelsicherheit und Umweltschutz gibt es einen rasant steigenden Bedarf an Sensoren, die auf schnelle und einfache Weise gezielt bestimmte Stoffe nachweisen. Wasser gehört dabei zu den häufigsten überwachten chemischen Verbindungen. „Es kann sehr wichtig sein zu wissen, wieviel Wasser in einer bestimmten Umgebung oder in einem Stoff vorhanden ist“, erläutert DESY-Forscher Michael Wharmby, Ko-Autor der Veröffentlichung und Leiter der Messstation P02.1, an der das neue Sensormaterial untersucht worden ist. „Wenn ein Öl zum Beispiel zu viel Wasser enthält, schmiert es Maschinen möglicherweise nicht gut, und mit einem zu hohen Wasseranteil verbrennt Treibstoff nicht ordentlich.“

Der funktionale Teil des neuen Sensormaterials ist ein sogenanntes Koordinationspolymer auf Kupferbasis, eine organische Verbindung mit einem Wassermolekül, das an ein zentrales Kupferatom gebunden ist. „Wenn man die Verbindung auf 60 Grad Celsius erhitzt, ändert sie ihre Farbe von Blau zu Violett“, berichtet Amo-Ocha. „Diese Änderung lässt sich rückgängig machen, indem man das Material an der Luft lässt, in Wasser taucht oder in eine Flüssigkeit mit Spuren von Wasser legt.“ Mit der energiereichen Röntgenstrahlung von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III konnte das Team beobachten, dass in den auf 60 Grad erhitzten Proben die Wassermoleküle fehlten, die zuvor an die Kupferatome gebunden waren. Das führt zu einer umkehrbaren strukturellen Neuorganisation des Materials, wodurch es zu der Farbänderung kommt.

„Als wir das verstanden hatten, konnten wir auch die Physik dieser Veränderung modellieren“, sagt Ko-Autor José Ignacio Martinez vom Institut für Werkstoffwissenschaften in Madrid (ICMM-CSIC). Die Forscher waren dann in der Lage, die Kupferverbindung mit einem 3D-Druckermaterial zu mischen und Sensoren in verschiedenen Formen daraus zu drucken. Sie testen die gedruckten Sensoren in Luft und mit Flüssigkeiten, die unterschiedliche Anteile Wasser enthielten. Dabei zeigte sich, dass die gedruckten Sensoren sogar noch empfindlicher auf Wasser reagieren als das kupferbasierte Polymermaterial allein. Die Forscher schreiben das der Porosität des gedruckten Materials zu. In Flüssigkeiten schlug der gedruckte Sensor innerhalb von zwei Minuten bereits bei einem Wasseranteil von 0,3 bis 4 Prozent an. Zudem reagierte er noch auf eine relative Luftfeuchtigkeit von nur 7 Prozent.

Wenn das Material durch Erhitzen oder in einer wasserfreien Flüssigkeit getrocknet wird, färbt es sich von Blau wieder zurück nach Violett. Tests zeigten, dass es selbst über viele Erhitzungszyklen stabil bleibt und die kupferbasierten Polymere gleichmäßig in den gedruckten Sensoren verteilt sind. An der Luft bleibt das Material mindestens ein Jahr stabil, ebenso bei biologisch relevanten pH-Werten von 5 bis 7. „Die Vielseitigkeit moderner 3D-Drucktechnik bedeutet darüber hinaus, dass sich diese Sensoren in ganz unterschiedlichen Bereichen einsetzen lassen“, betont Ko-Autor Shlomo Magdassi von der Hebräischen Universität Jerusalem. Das Konzept könne zudem genutzt werden, um weitere derartige funktionale Materialien zu entwickeln.

„In unserer Arbeit präsentieren wir die ersten 3D-gedruckten Verbundobjekte aus einem nicht-porösen Koordinationspolymer“, sagt Ko-Autor Félix Zamora von der Autonomen Universität Madrid. „Das eröffnet die Möglichkeit, die große Familie dieser leicht herzustellenden Verbindungen mit ihren interessanten magnetischen, optischen und elektrischen Eigenschaften für das funktionale 3D-Drucken zu benutzen.“

Die Autonome Universität Madrid, die Hebräische Universität Jerusalem, die Technische Universität Nanyang in Singapur, das Institut für Werkstoffwissenschaften in Madrid und DESY waren an der Studie beteiligt.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Wasser
  • 3D Druck
Mehr über Deutsches Elektronen-Synchroton DESY
  • News

    DESY Innovation Village: Einweihung für Start-ups und Gründer

    „We Love Innovation“ war das passende Motto, unter dem das DESY Innovation Village am Valentinstag, in Anwesenheit des DESY-Direktoriums und Vertretern des Bundes und der Freien und Hansestadt Hamburg offiziell eingeweiht worden ist. Es bietet den DESY-Start-ups Büroräume, Werkstatt- und La ... mehr

    Kristalline Überraschung

    Bei Hochdruck-Experimenten mit dem Mineral Coesit hat ein internationales Forscherteam zwei unerwartete Formen von Siliziumdioxid mit einer ungewöhnlichen Kristallstruktur entdeckt. Die Beobachtung könnte direkten Einfluss sowohl auf das wissenschaftliche Bild von flüssigen Silikaten tief i ... mehr

    Ein neuer Weg in die Spiegelwelt

    Zur Untersuchung des Phänomens der sogenannten molekularen Händigkeit in der Natur haben Wissenschaftler eine neue Methode entwickelt, um maßgeschneiderte Spiegelmoleküle herzustellen. Die vorgeschlagene Technik kann normale Moleküle so schnell drehen lassen, dass diese ihre normale Symmetr ... mehr

  • Videos

    DESYs Röntgenlaser FLASH - High-Speed-Kamera für den Nanokosmos

    Wie arbeiten die Moleküle des Lebens? Wie funktionieren die Werkstoffe der Zukunft? Wie können wir effizienter Energie gewinnen und Ressourcen schonen? Fragen and FLASH, die High-Speed-Kamera für den Nanokosmos. mehr

    Teilchenzoo: Und nun?

    Mit dem extrem erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik verstehen wir bislang nur rund 5% des Universums. Wie geht es weiter - Stringtheorie, Supersymmetrie, DESY-Physiker Georg Weiglein und Gudrid Moortgat-Pick diskutieren die großen offenen Fragen der Teilchenphysik. mehr

    Teilchenzoo: Photonen, Gluonen und andere Kräfteteilchen

    "Die vier Kräfte" - das ist kein Gericht aus dem Chinarestaurant, sondern das sind die vier Grundkräfte der Natur: die starke, die schwache, die elektromagnetische und die Schwerkraft. DESY-Doktorand Marc Wenskat erklärt ihre Wechselwirkungsteilchen und zeigt dabei, dass ein kleiner Magnet ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Deutsches Elektronen-Synchroton DESY

    DESY ist eines der weltweit führenden Beschleunigerzentren und gehört zur Helmholtz-Gemeinschaft. Bei DESY werden große Teilchenbeschleuniger entwickelt, gebaut und betrieben, um damit die Struktur der Materie zu erforschen. Das breit gefächerte, international ausgerichtete Forschungsspektr ... mehr

Mehr über Universidad Autónoma de Madrid
Mehr über Hebrew University of Jerusalem
  • News

    Kosmologie im Labor mit lasergekühlten Ionen

    Wissenschaftler wüssten zu gerne, welche Kräfte unser Universum vor etwa 14 Milliarden Jahren schufen. Wie entstanden aus einem ursprünglich symmetrischen Universum, in dem kurz nach dem Urknall überall dieselben Bedingungen herrschten, durch einen Bruch der Symmetrie überhaupt Materie und ... mehr

    Inverses Rillenmuster auf Papier

    In der Forensik ist Papier eine der am häufigsten auf Fingerabdrücke zu untersuchenden Oberflächen. Ausgerechnet bei Papier ist das Sichtbarmachen latenter Fingerabdrücke aber besonders schwierig. Israelische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine neue Methode ... mehr

  • Universitäten

    Hebrew University of Jerusalem

    mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.