Tid-temperatur-integrerende optiske sensorer baseret på gradient kolloide krystaller

På grund af deres iriserende farver, opaler er blevet betragtet som særligt dyrebare ædelstene siden antikken. Den måde, disse sten skinner på, er forårsaget af deres nanostrukturer. En forskergruppe ledet af prof. Dr. Markus Retsch ved University of Bayreuth har produceret kolloide krystaller, der efterligner sådanne strukturer, som er velegnede til at konstruere nye typer sensorer. Disse sensorer dokumenterer synligt og kontinuerligt temperaturen i deres omgivelser i en defineret periode. De er, derfor, skræddersyet til en permanent overvågning af temperaturfølsomme processer. Forskerne har præsenteret deres opdagelse i tidsskriftet Avancerede materialer .

Attraktive applikationer er allerede i sigte for denne nye type sensorer. "For sikker drift af moderne højtydende batterier, det er vigtigt, at de kun udsættes for moderate temperaturer i mange timers drift. Kortvarige temperaturstigninger kan bringe batteriernes sikkerhed og levetid i fare. Ved hjælp af de nye sensorer, overensstemmelse med ensartede omgivelsestemperaturer kan overvåges pålideligt. I øvrigt, sensoren er allerede forprogrammeret på grund af dens materialesammensætning:den arbejder selvstændigt og kan ikke manipuleres efterfølgende, " siger doktorgradsforsker Marius Schöttle (M.Sc.), hovedforfatter til den nye publikation. Prof. Dr. Markus Retsch, Formand for Fysisk Kemi I og koordinator for det nye studie, tilføjer:"Vi har udviklet en sensor, der er følsom over for tid og temperatur – uden behov for kompleks elektronik eller specielle måleanordninger. de kunstige krystaller, vi syntetiserede, repræsenterer en ny klasse af materialer, der er meget interessante for grundforskning. Det er muligt, at disse kolloide gradienter vil hjælpe os med at spore tidligere utilgængelige fysiske fænomener."

Gradvise kolloide krystaller afledt af naturlige opaler

Opaler består af sfæriske partikler, der danner overordnede nanostrukturer. Interaktioner mellem disse meget symmetriske strukturer og synligt lys får overfladerne til at glitre i de mest forskellige farver. Det samme gælder for vingerne på sommerfugle eller nogle biller. I de seneste år, naturlige og kunstige repræsentanter for denne klasse af materialer er blevet undersøgt i stigende grad. Ved University of Bayreuth, forskerholdet ledet af prof. Dr. Markus Retsch har nu undersøgt, om nanostrukturerede materialer kan fremstilles ved hjælp af dette konstruktionsprincip, men med en kontrolleret variation af blandingerne af forskellige partikler, som har teknologisk attraktive egenskaber. Visionen var at realisere nanostrukturerede film, der gradvist ændrer deres fysiske egenskaber i en bestemt retning. Denne unikke gradvise adfærd kunne opnås ved blot at variere sammensætningen af ​​en binær partikelblanding. Til dette formål, forskerne udviklede et eksperimentelt setup, der gør det muligt at fremstille sådanne gradvise kolloide krystaller bestående af to typer adskilte partikler.

To typer partikler blev produceret i laboratoriet, som kun adskilte sig i ét aspekt:​​deres resulterende nanostrukturer smelter sammen ved forskellige temperaturer, så materialernes overflader uigenkaldeligt mister deres iriserende farver. Teknisk set, denne irreversible tørsintringsproces skaber et farveløst filmlag. Forskerne har skabt kolloide krystaller af begge typer partikler og udnyttet deres nyudviklede gradientfremstillingsteknik. Strukturen af ​​de resulterende krystaller er altid den samme:inden for hver krystal, andelen af ​​partikler, der mister deres strukturer ved højere temperaturer og dermed er mere stabile, stiger løbende mod den ene side. Sammenlignende undersøgelser har vist, at en større procentdel af mere stabile partikler forårsager en langsommere strukturel nedbrydning i krystallen og forsinker det resulterende farvetab.

Finjusterede krystaller som optiske sensorer

Bayreuth-holdet har nu brugt denne opdagelse til at finjustere forskellige kolloide krystaller. En kolloid krystal, hvori andelen af ​​stabile partikler gradvist ændrer sig, overtager nu funktionen som en sensor:jo højere temperatur i en defineret periode, jo længere spredes farvetabet langs gradientretningen. Jo kortere perioder under en konstant temperatur, jo hurtigere denne proces afbrydes. Da farvetabene under alle omstændigheder er irreversible, sensoren dokumenterer niveauet af en omgivelsestemperatur som en funktion af tiden.