Fra tobak til cyberwood

Schweiziske forskere fra ETH Zürich har udviklet et termometer, der er mindst 100 gange mere følsomt end tidligere temperatursensorer. Den består af et biosyntetisk hybridmateriale af tobaksceller og nanorør.

Mennesker har været inspireret af naturen siden tidernes begyndelse. Vi efterligner naturen for at udvikle nye teknologier, med eksempler lige fra maskiner til lægemidler til nye materialer. Fly er modelleret efter fugle, og mange lægemidler har deres oprindelse i planter. Forskere ved Institut for Mekanik og Procesingeniør har taget det et skridt videre:for at udvikle en ekstremt følsom temperatursensor kiggede de nærmere på temperaturfølsomme planter. Imidlertid, de efterlignede ikke planternes egenskaber; i stedet, de udviklede et hybridmateriale, der indeholder, ud over syntetiske komponenter, plantecellerne selv. "Vi lader naturen gøre jobbet for os, "forklarer Chiara Daraio, Professor i mekanik og materialer.

Forskerne var i stand til at udvikle den mest følsomme temperatursensor:et elektronisk modul, der ændrer dets ledningsevne som en funktion af temperaturen. "Ingen anden sensor kan reagere på så små temperatursvingninger med så store ændringer i ledningsevne. Vores sensor reagerer med en reaktionsevne, der er mindst 100 gange højere i forhold til de bedste eksisterende sensorer, "siger Raffaele Di Giacomo, en post-doc i Daraios gruppe.

Vand erstattes af nanorør

Det har været kendt i årtier, at planter har den ekstraordinære evne til at registrere ekstremt fine temperaturforskelle og reagere på dem gennem ændringer i deres cellers ledningsevne. Derved, planter er bedre end nogen menneskeskabt sensor hidtil.

Di Giacomo eksperimenterede med tobaksceller i en cellekultur. "Vi spurgte os selv, hvordan vi kunne overføre disse celler til et livløst, tørt materiale på en sådan måde, at deres temperaturfølsomme egenskaber bevares, "fortæller han. Forskerne nåede deres mål ved at dyrke cellerne i et medium indeholdende små rør af kulstof. Disse elektrisk ledende kulnanorør dannede et netværk mellem tobakscellerne og var også i stand til at trænge ind i cellevæggene. Da Di Giacomo tørrede nanorøret -dyrkede celler, han opdagede en woody, fast materiale, som han kalder 'cyberwood'. I modsætning til træ, dette materiale er elektrisk ledende takket være nanorørene, og interessant nok er ledningsevnen temperaturafhængig og ekstremt følsom, ligesom i levende tobaksceller.

Berøringsfri berøringsskærm og varmefølsomme kameraer

Som demonstreret ved forsøg cyberwoodsensoren kan identificere varme kroppe selv på afstand; for eksempel, en hånd, der nærmer sig sensoren fra en afstand af et par dusin centimeter. Sensorens ledningsevne afhænger direkte af håndens afstand til sensoren.

Ifølge forskerne, cyberwood kunne bruges i en lang række applikationer; for eksempel, i udviklingen af ​​en 'berøringsfri berøringsskærm', der reagerer på bevægelser, med bevægelser registreret af flere sensorer. Lige tænkelige kan være varmefølsomme kameraer eller natvisionsenheder.

Fortykningsmiddel pektin i en hovedrolle

ETH -forskerne, sammen med en samarbejdspartner ved University of Salerno, Italien, ikke blot underkastet deres nye materiales egenskaber en detaljeret undersøgelse, de analyserede også oprindelsen til deres ekstraordinære adfærd. De opdagede, at pektiner og ladede atomer (ioner) spiller en central rolle i temperaturfølsomheden for både levende planteceller og det tørre cyberved. Pektiner er sukkermolekyler, der findes i plantens cellevægge, og som kan krydsbindes, afhængig af temperatur, for at danne en gel. Calcium- og magnesiumioner er begge til stede i denne gel. "Når temperaturen stiger, links af pektin bryder sammen, gelen bliver blødere, og ionerne kan bevæge sig mere frit, "forklarer Di Giacomo. Som et resultat, materialet leder elektricitet bedre, når temperaturen stiger.

Forskerne indsendte en patentansøgning til deres sensor. I det løbende arbejde, de udvikler det nu sådan, at det fungerer uden planteceller, hovedsageligt kun med pektin og ioner. Deres mål er at skabe en fleksibel, gennemsigtig og endda biokompatibel sensor med den samme ultrahøje temperaturfølsomhed. En sådan sensor kunne støbes til vilkårlige former og produceres til ekstremt lave omkostninger. Dette åbner døren for nye applikationer til termiske sensorer i biomedicinske enheder, forbrugerprodukter og billige termiske kameraer.