Onderzoekers maken 3D-geprint, biologisch afbreekbaar, kleurveranderend geleidend materiaal van cellulose

Een elastisch materiaal dat van kleur verandert, elektriciteit geleidt, 3D-geprint kan worden en bovendien biologisch afbreekbaar is? Dat is niet alleen wetenschappelijk wensdenken: Empa-onderzoekers van het Cellulose & Wood Materials-laboratorium in Dübendorf hebben op basis van cellulose- en koolstofnanobuisjes een materiaal gemaakt met precies deze eigenschappen. Het werk wordt gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materiaaltechnologieën.

De onderzoekers gingen uit van hydroxypropylcellulose (HPC), dat veel wordt gebruikt als hulpstof in onder meer farmaceutica, cosmetica en voedingsmiddelen. Bij vermenging met water is bekend dat HPC vloeibare kristallen vormt. Deze kristallen hebben een opmerkelijke eigenschap: afhankelijk van hun structuur – die zelf onder andere afhangt van de concentratie HPC – glinsteren ze in verschillende kleuren, hoewel ze zelf geen kleur of pigment hebben.

Dit fenomeen wordt structurele kleuring genoemd en het is bekend dat het in de natuur voorkomt: Pauwenveren, vlindervleugels en kameleonhuid krijgen hun briljante kleur geheel of gedeeltelijk niet van pigmenten, maar van microscopische structuren die het (witte) daglicht “splitsen” in spectrale kleuren en reflecteren alleen de golflengten voor specifieke kleuren.

De structurele kleuring van HPC verandert niet alleen met de concentratie maar ook met de temperatuur. Om deze eigenschap beter te benutten, voegden de onderzoekers onder leiding van Gustav Nyström 0,1 gewichtsprocent koolstofnanobuisjes toe aan het mengsel van HPC en water. Hierdoor wordt de vloeistof elektrisch geleidend en kan de temperatuur, en dus de kleur van de vloeibare kristallen, worden geregeld door een spanning aan te leggen.

Als een toegevoegde bonus fungeert de koolstof als een breedbandabsorbeerder die de kleuren dieper maakt. Door een kleine hoeveelheid cellulose-nanovezels in het mengsel op te nemen, kon het team van Nyström het ook 3D-printbaar maken zonder de structurele kleuring en elektrische geleidbaarheid te beïnvloeden.

Duurzame sensoren en displays

De onderzoekers gebruikten het nieuwe cellulosemengsel om verschillende mogelijke toepassingen van de nieuwe technologie in 3D te printen. Deze omvatten een spanningssensor die van kleur verandert als reactie op mechanische vervorming en een eenvoudig display met zeven segmenten.

“Ons lab heeft al verschillende elektronische wegwerpcomponenten ontwikkeld op basis van cellulose, zoals batterijen en sensoren”, zegt Xavier Aeby, co-auteur van het onderzoek. “Dit is de eerste keer dat we een display op basis van cellulose hebben kunnen ontwikkelen.”

In de toekomst zou de op cellulose gebaseerde inkt veel meer toepassingen kunnen hebben, zoals temperatuur- en spanningssensoren, bij voedselkwaliteitscontrole of biomedische diagnostiek. “Duurzame materialen die 3D-geprint kunnen worden, zijn van groot belang, vooral voor toepassingen in biologisch afbreekbare elektronica en het internet der dingen”, zegt Nyström, hoofd van het laboratorium.

“Er zijn nog veel open vragen over hoe structurele kleuring wordt gegenereerd en hoe deze verandert met verschillende additieven en omgevingsomstandigheden.” Nyström en zijn team streven ernaar deze lijn van werk voort te zetten in de hoop nog veel meer interessante fenomenen en mogelijke toepassingen te ontdekken.