20.05.2020 - University of Surrey

Hübsch wie ein Pfau: Der Edelstein für die nächste Generation intelligenter Sensoren

Methode stellt einfachen, kostengünstigen und skalierbaren Ansatz zur Herstellung multifunktionaler grapheninfiltrierter synthetischer Opale dar

Wissenschaftler haben sich von der Biomimikry von Schmetterlingsflügeln und Pfauenfedern inspirieren lassen, um ein innovatives opalähnliches Material zu entwickeln, das der Eckpfeiler für intelligente Sensoren der nächsten Generation sein könnte.

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung der Universitäten von Surrey und Sussex hat farbveränderliche, flexible photonische Kristalle entwickelt, die zur Entwicklung von Sensoren verwendet werden könnten, die vor einem möglichen nächsten Erdbeben warnen.

Die tragbaren, robusten und kostengünstigen Sensoren können empfindlich auf Licht, Temperatur, Belastung oder andere physikalische und chemische Reize reagieren, was sie zu einer äußerst vielversprechenden Option für kosteneffiziente intelligente visuelle Sensoranwendungen in einer Reihe von Bereichen wie Gesundheitswesen und Lebensmittelsicherheit macht.

In einer von der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie skizzieren Forscher eine Methode zur Herstellung photonischer Kristalle mit einer winzigen Menge Graphen, die zu einem breiten Spektrum erwünschter Eigenschaften führt, deren Ergebnisse mit dem bloßen Auge direkt beobachtet werden können.

Die extrem vielseitigen Sensoren, die unter natürlichem Licht intensiv grün sind, färben sich blau, wenn sie gedehnt werden, oder werden transparent, wenn sie erhitzt werden.

Dr. Izabela Jurewicz, Dozentin für Weiche Materie-Physik an der Fakultät für Ingenieurwesen und Physikalische Wissenschaften der Universität Surrey, sagte: "Diese Arbeit bietet die erste experimentelle Demonstration mechanisch robuster, aber dennoch weicher, freistehender und flexibler Opale auf Polymerbasis, die lösungsexfoliiertes Urgraphen enthalten. Diese Kristalle sind zwar wunderschön anzusehen, aber wir sind auch sehr gespannt auf den enormen Einfluss, den sie auf das Leben der Menschen haben könnten".

Alan Dalton, Professor für Experimentalphysik an der School of Mathematical and Physical Sciences der University of Sussex, sagte "Unsere Forschung hier hat sich von den erstaunlichen Fähigkeiten der Biomimikry bei Schmetterlingsflügeln, Pfauenfedern und Käferschalen inspirieren lassen, bei denen die Farbe von der Struktur und nicht von Pigmenten stammt. Während die Natur diese Materialien über Millionen von Jahren entwickelt hat, holen wir langsam in einem viel kürzeren Zeitraum auf".

Zu ihren vielen möglichen Anwendungen gehören

  • Zeit-Temperatur-Indikatoren (TTI) für intelligente Verpackungen - Die Sensoren sind in der Lage, visuell anzuzeigen, wenn bei verderblichen Lebensmitteln oder Arzneimitteln unerwünschte Zeit-Temperatur-Verläufe aufgetreten sind. Die Kristalle reagieren extrem empfindlich schon auf einen geringen Temperaturanstieg zwischen 20 und 100 Grad C.
  • Fingerabdruckanalyse - Ihre druckempfindlichen Formgedächtniseigenschaften sind attraktiv für biometrische und fälschungssichere Anwendungen. Wenn man mit dem bloßen Finger auf die Kristalle drückt, können Fingerabdrücke mit hoher Präzision sichtbar gemacht werden, die gut definierte Rillen von der Haut zeigen.
  • Biosensorik - Die photonischen Kristalle können als Gewebegerüst für das Verständnis der menschlichen Biologie und Krankheiten verwendet werden. Wenn sie mit Biomolekülen funktionalisiert werden, könnten sie als hochempfindliche Point-of-Care-Testgeräte für Atemwegsviren fungieren, die kostengünstige, zuverlässige und benutzerfreundliche Biosensorsysteme bieten.
  • Bio-/Gesundheitsüberwachung - Die mechanochrome Reaktion der Sensoren ermöglicht ihre Anwendung als Körpersensoren, was zur Verbesserung der Technik bei Sportlern beitragen könnte.
  • Sicherheit im Gesundheitswesen - Wissenschaftler schlagen vor, die Sensoren in einem Armband zu verwenden, das die Farbe wechselt, um den Patienten anzuzeigen, ob ihr Arzt sich die Hände gewaschen hat, bevor er einen Untersuchungsraum betritt.

Die Forschung stützt sich auf die Expertise der Materials Physics Group (University of Sussex) in der Flüssigkeitsverarbeitung von zweidimensionalen Nanomaterialien, die Erfahrung der Soft Matter Group (University of Surrey) mit Polymerkolloiden und kombiniert sie mit der Expertise des Advanced Technology Institute in der optischen Modellierung komplexer Materialien. Beide Universitäten arbeiten mit dem in Sussex ansässigen Unternehmen Advanced Materials Development (AMD) Ltd. an der Kommerzialisierung der Technologie.

Joseph Keddie, Professor für Physik der weichen Materie an der University of Surrey, sagte dazu: "Polymerpartikel werden zur Herstellung von Alltagsgegenständen wie Tinten und Farben verwendet. Bei dieser Forschung waren wir in der Lage, Graphen in Abständen, die mit den Wellenlängen des sichtbaren Lichts vergleichbar sind, fein zu verteilen und zeigten, wie die Zugabe winziger Mengen des zweidimensionalen Wundermaterials zu neuen Fähigkeiten führt".

John Lee, CEO von Advanced Materials Development (AMD) Ltd, sagte "Angesichts der Vielseitigkeit dieser Kristalle stellt diese Methode einen einfachen, kostengünstigen und skalierbaren Ansatz zur Herstellung multifunktionaler grapheninfiltrierter synthetischer Opale dar und eröffnet spannende Anwendungen für neuartige Photonik auf der Basis von Nanomaterialien. Wir freuen uns sehr, es in naher Zukunft auf den Markt bringen zu können".

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