Bay­reu­ther Forscher*innen ent­decken neu­ar­ti­ge Sensoren

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Künst­li­che Opa­le mes­sen Tem­pe­ra­tur und Zeit

Wegen ihrer schil­lern­den Far­ben gel­ten Opa­le seit der Anti­ke als beson­ders kost­ba­re Edel­stei­ne. Ursa­che die­ses Far­ben­spiels sind ihre Nano­struk­tu­ren. Eine For­schungs­grup­pe um Prof. Dr. Mar­kus Retsch an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth hat nach dem Vor­bild die­ser Struk­tu­ren künst­li­che Kol­loid­kri­stal­le her­ge­stellt, die sich für den Bau neu­ar­ti­ger Sen­so­ren eig­nen. Die­se Sen­so­ren doku­men­tie­ren, kon­ti­nu­ier­lich und für das mensch­li­che Auge sicht­bar, die Tem­pe­ra­tur in ihrer Umge­bung wäh­rend eines defi­nier­ten Zeit­raums. Sie sind daher maß­ge­schnei­dert für die dau­er­haf­te Über­wa­chung tem­pe­ra­tur­sen­si­ti­ver Pro­zes­se. In der Zeit­schrift „Advan­ced Mate­ri­als“ stel­len die Wissenschaftler*innen ihre Ent­deckung vor.

Bereits heu­te zeich­nen sich für die neu­en Sen­so­ren attrak­ti­ve Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten ab. „Für den siche­ren Betrieb moder­ner Hoch­lei­stungs­bat­te­rien ist es wich­tig, dass sie über vie­le Betriebs­stun­den hin­weg aus­schließ­lich mode­ra­ten Tem­pe­ra­tu­ren aus­ge­setzt sind. Kurz­zei­ti­ge, stark erhöh­te Tem­pe­ra­tu­ren kön­nen die Sicher­heit und die Lebens­dau­er der Bat­te­rien gefähr­den. Mit Hil­fe der neu­en Sen­so­ren lässt sich die Ein­hal­tung gleich­mä­ßi­ger Umge­bungs­tem­pe­ra­tu­ren zuver­läs­sig über­wa­chen. Der Sen­sor ist auf­grund sei­ner Mate­ri­al­zu­sam­men­set­zung bereits fer­tig pro­gram­miert: Er arbei­tet auto­nom und kann nicht nach­träg­lich mani­pu­liert wer­den“, sagt Dok­to­rand Mari­us Schött­le M.Sc., Erst­sau­tor der neu­en Veröffentlichung.

Prof. Dr. Mar­kus Retsch, Inha­ber des Lehr­stuhls Phy­si­ka­li­sche Che­mie I und Koor­di­na­tor der neu­en Stu­die, fügt hin­zu: „Wir haben hier einen Sen­sor ent­wickelt, der gleich­zei­tig auf Zeit und Tem­pe­ra­tur sen­si­tiv reagiert – und zwar ohne dass es dafür einer auf­wän­di­gen Elek­tro­nik oder spe­zi­el­ler Mess­ge­rä­te bedarf. Dar­über hin­aus stel­len die von uns syn­the­ti­sier­ten künst­li­chen Kri­stal­le eine neue Mate­ri­al­klas­se dar, die für die Grund­la­gen­for­schung sehr inter­es­sant ist. Mög­li­cher­wei­se hel­fen uns die­se kol­lo­ida­len Gra­di­en­ten dabei, grund­le­gend neu­en phy­si­ka­li­schen Phä­no­me­nen auf die Spur zu kommen.“

Gra­du­el­le Kol­loid­kri­stal­le nach dem Vor­bild der Opale

Marius Schöttle M.Sc., Erstautor der Studie, mit einem künstlichen Kolloidkristall. Foto: UBT/Lehrstuhl Physikalische Chemie I.

Mari­us Schött­le M.Sc., Erst­au­tor der Stu­die, mit einem künst­li­chen Kol­loid­kri­stall. Foto: UBT/​Lehrstuhl Phy­si­ka­li­sche Che­mie I.

Opa­le bestehen aus kugel­för­mi­gen Par­ti­keln, die über­ge­ord­ne­te Nano­struk­tu­ren bil­den. Wech­sel­wir­kun­gen die­ser hoch­sym­me­tri­schen Struk­tu­ren mit sicht­ba­rem Licht las­sen die Ober­flä­chen in den ver­schie­den­sten Far­ben schil­lern. Genau­so ver­hält es sich auch mit den Flü­geln von Schmet­ter­lin­gen oder von man­chen Käfern. In den letz­ten Jah­ren sind natür­li­che und künst­li­che Ver­tre­ter die­ser Mate­ri­al­klas­se immer bes­ser erforscht wor­den. An der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist das For­schungs­team unter der Lei­tung von Prof. Dr. Mar­kus Retsch jetzt der Fra­ge nach­ge­gan­gen, ob sich nach ähn­li­chen Bau­prin­zi­pi­en, aber mit kon­trol­lier­ten Mischun­gen unter­schied­li­cher Par­ti­kel nano­struk­tu­rier­te Mate­ria­li­en her­stel­len las­sen, die tech­no­lo­gisch attrak­ti­ve Eigen­schaf­ten auf­wei­sen. Die Visi­on waren nano­struk­tu­rier­te Fil­me, deren phy­si­ka­li­sche Eigen­schaf­ten sich ent­lang einer Rich­tung gra­du­ell ver­än­dern – und zwar auf­grund eines Gra­di­en­ten, der das Mischungs­ver­hält­nis zwei­er Par­ti­kel­sor­ten defi­niert. Dafür haben die Forscher*innen einen expe­ri­men­tel­len Auf­bau ent­wickelt, der die Her­stel­lung der­ar­ti­ger gra­du­el­ler Kol­loid­kri­stal­le ermöglicht.

Par­al­lel dazu wur­den im Labor zwei Sor­ten von Par­ti­keln her­ge­stellt, die sich nur in einem Punkt unter­schei­den: Die dar­aus ent­ste­hen­den Nano­struk­tu­ren lösen sich bei ver­schie­den hohen Tem­pe­ra­tu­ren auf, so dass die Ober­flä­chen der Mate­ria­li­en ihre schil­lern­den Far­ben unwie­der­bring­lich ver­lie­ren. Che­misch gespro­chen, ent­steht durch die­se irrever­si­ble Struk­tur­auf­lö­sung eine farb­lo­se Film­schicht. Aus Par­ti­keln bei­der Sor­ten und auf der Basis des neu­en expe­ri­men­tel­len Auf­baus haben die Forscher*innen Kol­loid­kri­stal­le erzeugt. Der Auf­bau der Kri­stal­le ist jedes Mal gleich: Inner­halb jedes Kri­stalls nimmt der Anteil der Par­ti­kel, die ihre Struk­tu­ren bei höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren ver­lie­ren und inso­fern sta­bi­ler sind, nach einer Sei­te hin kon­ti­nu­ier­lich zu. Durch ver­glei­chen­de Unter­su­chun­gen stell­te sich her­aus: Je grö­ßer der Anteil der sta­bi­le­ren Par­ti­kel ist, desto lang­sa­mer ver­lau­fen die Struk­tur­auf­lö­sun­gen inner­halb des Kri­stalls und desto lang­sa­mer schrei­tet der dadurch beding­te Farb­ver­lust voran.

Mit Fein­tu­ning zum kri­stal­li­nen Sensor

Momentaufnahmen zweier Kolloidkristall-Gradienten unter dem Einfluss unterschiedlicher Temperaturen zeigen den zeitlichen Verlauf des Farbverlusts. Bild: Marius Schöttle.

Moment­auf­nah­men zwei­er Kol­loid­kri­stall-Gra­di­en­ten unter dem Ein­fluss unter­schied­li­cher Tem­pe­ra­tu­ren zei­gen den zeit­li­chen Ver­lauf des Farb­ver­lusts. Bild: Mari­us Schöttle.

Die­se Ent­deckung hat das Bay­reu­ther Team nun für ein Fein­tu­ning ver­schie­de­ner Kol­loid­kri­stal­le genutzt: Ein Kol­loid­kri­stall, in dem sich der Anteil an sta­bi­len Par­ti­keln gra­du­ell ändert, über­nimmt jetzt die Funk­ti­on eines Sen­sors: Je höher die Tem­pe­ra­tur wäh­rend eines defi­nier­ten Zeit­raums ist, desto wei­ter brei­ten sich die Farb­ver­lu­ste auf die­ser Ober­flä­che nach einer Rich­tung hin aus. Und je kür­zer die Zeit­räu­me wäh­rend einer gleich­blei­ben­den Tem­pe­ra­tur sind, desto frü­her bricht die­ser Pro­zess ab. Weil die Farb­ver­lu­ste in jedem Fall irrever­si­bel sind, doku­men­tiert der Sen­sor die Höhe einer Umge­bungs­tem­pe­ra­tur in Abhän­gig­keit von der Zeit.

Ver­öf­fent­li­chung:

Mari­us Schött­le, Tho­mas Tran, Tan­ja Fel­ler, Mar­kus Retsch: Time–Temperature Inte­gra­ting Opti­cal Sen­sors Based on Gra­di­ent Col­lo­idal Cry­s­tals. Advan­ced Mate­ri­als (2021), DOI: https://​doi​.org/​1​0​.​1​0​0​2​/​a​d​m​a​.​2​0​2​1​0​1​948

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