Forscherteam entwickelt druckbare Wassersensoren
Röntgenuntersuchung zeigt Arbeitsweise der funktionalen Verbindung auf Kupferbasis
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“.
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.
UAM, Verónica García Vegas
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.
Originalveröffentlichung
"3D printing of a thermo- and solvato-chromic composite material based on a Cu(II)- thymine coordination polymer with moisture sensing capabilities"; Noelia Maldonado, Verónica G. Vegas, Oded Halevi, Jose Ignacio Martinez, Pooi See Lee Shlomo Magdassi, Michael T. Wharmby, Ana E. Platero-Prats, Consuelo Moreno, Félix Zamora and Pilar Amo-Ochoa; Advanced Functional Materials; 2019
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