Deze innovatieve spanningssensor maakt gebruik van magnetoplasmonische nanodeeltjes en flexibele polymeren om mechanische spanning te detecteren door omkeerbare kleurveranderingen, waardoor toepassingen op het gebied van gezondheidsmonitoring, structurele veiligheid en milieuvriendelijke technologieën mogelijk worden. Krediet: Jaebeom Lee / Chungnam National University, Republiek Korea
Draagbare apparaten en slimme sensoren transformeren de manier waarop we gezondheid en activiteit monitoren, van het volgen van hartslagen tot het detecteren van lichaamsbewegingen. Traditionele hulpmiddelen zoals stethoscopen en fitnesstrackers worden echter vaak met uitdagingen geconfronteerd. Ze vereisen gebruikerstraining, hebben moeite met het nauwkeurig vastleggen van subtiele signalen en zijn beperkt in flexibiliteit en gebruiksgemak.
Deze tekortkomingen maken ze minder effectief voor toepassingen die aanpassingsvermogen, precisie en gebruiksvriendelijkheid vereisen, zoals realtime gezondheidsmonitoring of bewegingsregistratie.
Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben professor Jaebeom Lee en zijn team van de Chungnam National University een geavanceerde mechanochrome spanningssensor ontwikkeld die van kleur verandert als reactie op mechanische spanning.
Hun studie, gepubliceerd in Tijdschrift voor chemische technologie op 15 oktober 2024 benadrukt het potentieel van de sensor als een stroomloos, veelzijdig hulpmiddel. Het apparaat integreert flexibele polymeren met innovatieve nanodeeltjes en biedt een betrouwbare, gebruiksvriendelijke oplossing voor het realtime volgen van gezondheid en activiteiten.
De sensor is gebouwd met behulp van magnetoplasmonische nanodeeltjes (MagPlas NP’s). Deze nanodeeltjes hebben een zilveren kern (60 nm) en een ijzeroxide (Fe3O4) omhulsel, waardoor ze kunnen communiceren met licht en magnetische velden. Ze worden geproduceerd met behulp van een methode die solvothermische synthese wordt genoemd en die chemische reacties bij hoge temperaturen regelt om zeer uniforme deeltjes in grote hoeveelheden te creëren.
“Dit materiaal op nanoschaal kan worden gesynthetiseerd met uitzonderlijke consistentie en schaalbaarheid”, legt prof. Lee uit.
Een cruciaal onderdeel van het ontwerp van de sensor is de opstelling van MagPlas NP’s. Wanneer een vloeistofdruppeltje dat deze deeltjes bevat, op een poreus materiaal wordt geplaatst, zoals filtreerpapier of een polyethersulfon (PES)-membraan, en wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, pakken de deeltjes zich stevig op elkaar op het oppervlak in plaats van in de poriën te sijpelen.
Dit vormt een uniforme laag, een zogenaamde amorfe fotonische array (APA), die heldere, consistente kleuren produceert die stabiel blijven wanneer ze vanuit verschillende hoeken worden bekeken.
Deze APA’s worden vervolgens overgebracht op een flexibel, rekbaar materiaal genaamd polydimethylsiloxaan (PDMS), waardoor de sensor onder mechanische belasting van kleur kan veranderen. Door de grootte van de nanodeeltjes aan te passen tussen 91 en 284 nanometer, controleerden de onderzoekers hoe de kleur van de sensor veranderde.
De meest opvallende kleurverschuiving – van blauw naar rood – vond plaats toen de deeltjes 176 nanometer groot waren. Deze kleurveranderingen zijn volledig omkeerbaar en stabiel, zelfs na herhaaldelijk uitrekken, waardoor de sensor duurzaam en betrouwbaar is.
De sensor kan vele gebieden transformeren en een breed scala aan toepassingen bieden. In de gezondheidszorg zou het kunnen worden gebruikt als een draagbaar apparaat om bewegingen zoals het buigen van de knie, het draaien van de nek of zelfs subtiele bewegingen zoals hartslag of oogtrekkingen te volgen. De sensor kan ook de veiligheid van gebouwen en bruggen garanderen door spanning of schade visueel te detecteren zonder ingewikkelde opstellingen.
“De mechanochrome verandering van het apparaat zou voortdurend kunnen worden gevolgd, om fatale structurele storingen aan gebouwen, civiele constructies en industriële systemen te voorspellen en te voorkomen”, legt prof. Lee uit.
Vooruitkijkend zou de sensor nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor dynamische weergaven en veilige gegevensopslag. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld een speciale ‘datamatrix’-code gemaakt die alleen zichtbaar is als de sensor wordt uitgerekt. In de komende vijf tot tien jaar kunnen deze stroomloze sensoren een sleutelrol spelen in de ontwikkeling van duurzame, milieuvriendelijke technologie.
Hun vermogen om zonder stroom te werken maakt ze ideaal voor gebruik in afgelegen of extreme omgevingen zoals diepzeemissies of ruimteverkenning. “Stroomvrije sensoren en optische apparaten hebben een grote impact op de toekomst van duurzame en groene technologie”, voegt prof. Lee toe.
Meer informatie:
Huu-Quang Nguyen et al., Mechanochrome spanningssensor door magnetoplasmonische amorfe fotonische arrays, Tijdschrift voor chemische technologie (2024). DOI: 10.1016/j.cej.2024.155297
Tijdschriftinformatie:
Tijdschrift voor chemische technologie
Geleverd door Chungnam Nationale Universiteit
