02.06.2022 - University of California, Riverside

Mit Licht auf Titandioxid schreiben

Wiederbeschreibbare, UV-Licht-empfindliche Oberfläche aus dotierten TiO2-Nanokristallen

Forschende haben eine Beschichtung hergestellt, die mit UV-Licht beschreibbar ist und deren Schrift sich unter Luftsauerstoff wieder auslöscht. In vielen Fällen ließe sich damit Papierabfall vermeiden. Das Material besteht aus drei ungiftigen Grundkomponenten und wird durch einen einfachen Syntheseschritt hergestellt. Die Studie wird in der Zeitschrift Angewandte Chemie vorgestellt.

Um mit Licht beschreibbare Oberflächen herzustellen, nutzten die Forschenden um Yadong Yin von der University of California, Riverside (USA) die Halbleitereigenschaften von Titandioxid aus. Nanokristallines Titandioxid verändert sich unter Einstrahlung von Licht im Ultravioletten (UV). Durch die Lichtanregung wechseln die Titanatome ihre elektrische Ladung, und der vorher transparente Film wird dunkelblau bis schwarz. Der Farbwechsel dauert aber nicht an, denn Luftsauerstoff sorgt für eine direkte Rückoxidation.

Die Forschenden verlängerten nun die Einfärbung durch Zusatzstoffe. Dafür dotierten sie die Nanokristalle mit Stickstoff, den sie aus Harnstoff gewannen, und bauten dazu Diethylengylcol ein, das als gängiges und ungiftiges Lösungsmittel diente und für den Farbumschlag sogar eine entscheidende Rolle spielte. Wie die Forschenden feststellten, fing es überschüssige Ladung auf und verzögerte somit die Rückoxidation in den transparenten Zustand.

Aufgetragen auf Glas oder Papier, bildeten die Nanokristalle eine gleichmäßige Beschichtung, die mit UV-Licht beschreibbar war. Dafür reichte eine 30-sekündige Beleuchtung mit einer Lichtquelle im Wellenlängenbereich unter 400 Nanometer aus. Es müsse gar keine starke Lichtquelle sein, führten die Forschenden aus. Schon im Leistungsbereich einer LED-Lampe werde ein hoher Kontrast erzielt.

Für das Beschreiben gab es nun zwei Optionen. Zum einen erzeugten die Forschenden ein Schriftbild, indem sie ein Stück beschichtetes Papier oder Glas wie bei einem Fotodruck durch eine Fotomaske beleuchteten. Die andere Möglichkeit war das Freihand-Schreiben mit einem Laserstift. In beiden Fällen entstand ein kontrastreiches Muster, das mehrere Stunden stabil war und dann entweder durch Erhitzen gelöscht wurde oder langsam durch den Luftsauerstoff verblasste. Die Forschenden weisen darauf hin, dass der Fortbestand der Schrift durch einen Schutzüberzug aus einem ungiftigen Polymer verlängert werden kann.

Ein großer Vorteil des Systems ist die Wiederverwendbarkeit. In der Studie waren bis zu 50 Schreib-Lösch-Zyklen ohne nennenswerten Kontrastverlust möglich. Anwendungen seien daher besonders in Bereichen sinnvoll, in denen wiederverwendbare Oberflächen gefragt sind, wie zum Beispiel bei Tagesetiketten, auf Hinweisschildern, in der Datenspeicherung oder der Sensorik. Die Autor:innen heben insbesondere die unkomplizierte Herstellung aus gängigen und ungiftigen Ausgangsmaterialien und die gute Kompatibilität mit anderen Materialien hervor.

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