Das ist klug "genäht"!

Wissenschaftler erfinden Fäden für die Gasdetektion, die in Kleidung eingewebt werden können

08.04.2019 - USA

Die Ingenieure der Tufts University haben eine neuartige Herstellungsmethode entwickelt, um gefärbte Fäden herzustellen, die ihre Farbe ändern, wenn sie eine Vielzahl von Gasen erkennen. Die Forscher zeigten, dass die Fäden visuell, oder noch genauer mit einer Smartphone-Kamera, gelesen werden können, um Farbveränderungen durch Analyten von nur 50 Teilen pro Million zu erkennen. Eingewebt in Kleidung, könnten intelligente, gasdetektierende Fäden ein wiederverwendbares, waschbares und erschwingliches Sicherheitsmerkmal in medizinischen, arbeitsplatzbezogenen, militärischen und Rettungsumgebungen bieten, sagen sie. Die Studie beschreibt die Herstellungsmethode und ihre Fähigkeit, sich auf ein breites Spektrum von Farbstoffen und den Nachweis komplexer Gasgemische zu erstrecken.

Obwohl sie die Präzision der elektronischen Geräte, die üblicherweise zum Erkennen flüchtiger Gase verwendet werden, nicht ersetzen, ermöglicht die Integration der Gaserkennung in Textilien ein gerätefreies Auslesen, ohne dass eine spezielle Schulung erforderlich ist, sagen die Forscher. Ein solcher Ansatz könnte die Technologie einer allgemeinen Arbeitskraft oder ressourcenschwachen Gemeinschaften zugänglich machen, die von den Informationen profitieren können, die die Textilien liefern.

Die Studie verwendete einen Farbstoff auf Manganbasis, MnTPP, Methylrot und Bromthymolblau, um das Konzept zu belegen. MnTPP und Bromthymolblau können Ammoniak nachweisen, während Methylrot Chlorwasserstoff nachweisen kann - Gase, die üblicherweise aus Reinigungsmitteln, Düngemitteln sowie der Chemie- und Stoffproduktion freigesetzt werden. Ein dreistufiger Prozess "fängt" den Farbstoff im Garn ein. Der Faden wird zunächst in den Farbstoff getaucht und dann mit Essigsäure behandelt, was die Oberfläche gröber macht und die Faser anschwillt, was möglicherweise eine stärkere Bindungswirkung zwischen Farbstoff und Lauffläche ermöglicht. Abschließend wird der Faden mit Polydimethylsiloxan (PDMS) behandelt, das eine flexible, physikalische Abdichtung um den Faden und den Farbstoff bildet, die auch Wasser abweist und das Auslaugen des Farbstoffs beim Waschen verhindert. Wichtig ist, dass das PDMS auch gasdurchlässig ist, so dass die Analyten die optischen Farbstoffe erreichen können.

"Die von uns verwendeten Farbstoffe arbeiten auf unterschiedliche Weise, so dass wir Gase mit unterschiedlichen Chemikalien erkennen können", sagt Sameer Sonkusale, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Tufts University's School of Engineering, der das Nano-Labor in Tufts leitet. Das Team von Sonkusale verwendete einfache Farbstoffe, die Gase mit Säure- oder Baseneigenschaften erkennen. "Aber da wir eine Methode verwenden, die den Farbstoff effektiv an den Faden bindet, anstatt sich so sehr auf die Bindungschemie zu verlassen, haben wir mehr Flexibilität, Farbstoffe mit einer Vielzahl von funktionellen Chemikalien zum Nachweis verschiedener Arten von Gasen zu verwenden", sagte er.

Die getesteten Farbstoffe verfärbten sich in einer Weise, die abhängig von und proportional zur Gaskonzentration ist, die mit spektroskopischen Methoden gemessen wurde. Zwischen der Präzision eines Spektrometers und dem menschlichen Auge liegt die Möglichkeit, mit Smartphones die Farbänderungen auszulesen und zu quantifizieren oder Farbsignaturen mit mehreren Fäden und Farbstoffen zu interpretieren. "Das würde es uns ermöglichen, die Detektion zu vergrößern, um viele Analyten auf einmal zu messen, oder um Analyten mit eindeutigen kolorimetrischen Signaturen zu unterscheiden", sagt Sonkusale.

Die Fäden arbeiteten sogar unter Wasser und entdeckten die Existenz von gelöstem Ammoniak. "Während die PDMS-Versiegelung hydrophob ist und Wasser vom Faden fernhält, können die gelösten Gase dennoch den zu quantifizierenden Farbstoff erreichen", sagt Rachel Owyeung, Hauptautorin und Doktorandin am Tufts Department of Chemical and Biological Engineering. "Als Sensoren für gelöste Gase stellen wir uns intelligente Gewebe vor, die Kohlendioxid oder andere flüchtige organische Verbindungen während der Öl- und Gasexploration als eine mögliche Anwendung erkennen."

Da wiederholtes Waschen oder Verwenden unter Wasser den Farbstoff nicht verdünnt, können die Fäden für eine konsistente, quantifizierbare Erkennung um ein Vielfaches verwendet werden, sagten die Forscher.

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