Tijd-temperatuur-integrerende optische sensoren op basis van colloïdale gradiëntkristallen

Vanwege hun iriserende kleuren worden opalen sinds de oudheid als bijzonder kostbare edelstenen beschouwd. De manier waarop deze stenen glinsteren wordt veroorzaakt door hun nanostructuren. Een onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Dr. Markus Retsch aan de Universiteit van Bayreuth heeft colloïdale kristallen geproduceerd die dergelijke structuren nabootsen, die geschikt zijn voor de constructie van nieuwe soorten sensoren. Deze sensoren leggen gedurende een bepaalde periode zichtbaar en continu de temperatuur in hun omgeving vast. Ze zijn dan ook op maat gemaakt voor een permanente bewaking van temperatuurgevoelige processen. De wetenschappers hebben hun ontdekking gepresenteerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen.

Aantrekkelijke toepassingen voor dit nieuwe type sensoren zijn al in zicht. “Voor de veilige werking van moderne krachtige batterijen is het belangrijk dat ze gedurende vele uren aan slechts gematigde temperaturen worden blootgesteld. Kortstondige temperatuurpieken kunnen de veiligheid en levensduur van de batterijen in gevaar brengen. Met behulp van de nieuwe sensoren, kan de naleving van uniforme omgevingstemperaturen betrouwbaar worden gecontroleerd. Bovendien is de sensor door zijn materiaalsamenstelling al voorgeprogrammeerd: hij werkt autonoom en kan achteraf niet worden gemanipuleerd”, zegt doctoraalonderzoeker Marius Schöttle (M.Sc.), hoofdauteur van de nieuwe publicatie. Prof. Dr. Markus Retsch, voorzitter van Physical Chemistry I en coördinator van de nieuwe studie, voegt toe: “We hebben een sensor ontwikkeld die gevoelig is voor tijd en temperatuur – zonder dat er complexe elektronica of speciale meetapparatuur nodig is. kunstmatige kristallen die we hebben gesynthetiseerd vertegenwoordigen een nieuwe klasse van materialen die zeer interessant zijn voor fundamenteel onderzoek. Het is mogelijk dat deze colloïdale gradiënten ons zullen helpen om voorheen ontoegankelijke fysieke verschijnselen op te sporen.”

Geleidelijke colloïdale kristallen afgeleid van natuurlijke opalen

Opalen bestaan ​​uit bolvormige deeltjes die bovengeschikte nanostructuren vormen. Interacties van deze zeer symmetrische structuren met zichtbaar licht doen de oppervlakken glinsteren in de meest uiteenlopende kleuren. Hetzelfde geldt voor de vleugels van vlinders of sommige kevers. In de afgelopen jaren zijn natuurlijke en kunstmatige vertegenwoordigers van deze klasse materialen in toenemende mate bestudeerd. Aan de Universiteit van Bayreuth heeft het onderzoeksteam onder leiding van prof. dr. Markus Retsch nu onderzocht of nanogestructureerde materialen kunnen worden geproduceerd met dit constructieprincipe, maar met een gecontroleerde variatie van de mengsels van verschillende deeltjes, die technologisch aantrekkelijke eigenschappen hebben. De visie was om nanogestructureerde films te realiseren die geleidelijk hun fysieke eigenschappen in een bepaalde richting veranderen. Dit unieke geleidelijke gedrag kan worden bereikt door eenvoudigweg de samenstelling van een mengsel van binaire deeltjes te variëren. Voor dit doel ontwikkelden de onderzoekers een experimentele opstelling die de bereiding van dergelijke geleidelijke colloïdale kristallen mogelijk maakt, bestaande uit twee soorten verschillende deeltjes.

In het laboratorium werden twee soorten deeltjes geproduceerd die slechts in één aspect van elkaar verschilden: hun resulterende nanostructuren versmelten bij verschillende temperaturen, zodat de oppervlakken van de materialen onherstelbaar hun iriserende kleuren verliezen. Technisch gezien creëert dit onomkeerbare droge sinterproces een kleurloze filmlaag. De onderzoekers hebben colloïdale kristallen gemaakt van beide soorten deeltjes en hebben hun nieuw ontwikkelde gradiëntfabricagetechniek gebruikt. De structuur van de resulterende kristallen is altijd hetzelfde: binnen elk kristal neemt het aandeel deeltjes dat hun structuur verliest bij hogere temperaturen en dus stabieler is, voortdurend naar één kant toe. Vergelijkende studies hebben aangetoond dat een groter percentage stabielere deeltjes een langzamere structurele afbraak in het kristal veroorzaakt en het resulterende kleurverlies vertraagt.

Fijn afgestemde kristallen als optische sensoren

Het Bayreuth-team heeft deze ontdekking nu gebruikt om verschillende colloïde kristallen te verfijnen. Een colloïdkristal waarin het aandeel stabiele deeltjes geleidelijk verandert, neemt nu de functie van een sensor over: hoe hoger de temperatuur gedurende een bepaalde periode, hoe verder het kleurverlies zich langs de gradiëntrichting verspreidt. Hoe korter de perioden bij een constante temperatuur, hoe sneller dit proces stopt. Omdat de kleurverliezen in ieder geval onomkeerbaar zijn, documenteert de sensor het niveau van een omgevingstemperatuur als functie van de tijd.