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07.07.2023
Nachhaltigkeit
News
Biologisch abbaubare Sensoren und Displays durch 3-D-Druck
Forschende aus dem Empa-Labor „Cellulose & Wood Materials“ im schweizerischen Dübendorf haben auf Basis von Cellulose ein elastisches Material hergestellt, das seine Farbe verändert, Strom leitet, sich 3-D-drucken lässt und dazu noch biologisch abbaubar ist. Aus ihm könnten Sensoren und Displays entwickelt werden.
Als Ausgangsstoff diente den Forschenden Hydroxypropyl-Cellulose (HPC), die unter anderem als Hilfsstoff in Pharmazeutika, Kosmetikartikeln und Lebensmitteln eingesetzt wird. Eine Besonderheit von HPC ist, dass sie nach Zugabe von Wasser Flüssigkristalle bildet. Diese haben eine bemerkenswerte Eigenschaft: Je nach Kristallstruktur – die unter anderem abhängig ist von der HPC-Konzentration – schillern sie in den unterschiedlichsten Farben, obwohl sie eigentlich farb- beziehungsweise pigmentlos sind. Dieses Phänomen nennt sich strukturelle Färbung.
Die strukturelle Farbe von HPC verändert sich nicht nur mit der Konzentration, sondern auch mit der Temperatur. Um diese Eigenschaft besser ausnutzen zu können, setzten die Forschenden der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) um Gustav Nyström der Mischung aus HPC und Wasser noch 0,1 Massenprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu. Dies macht die Flüssigkeit elektrisch leitfähig und ermöglicht es, die Temperatur – und somit die Farbe der Flüssigkristalle – durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern. Mit einem weiteren Zusatz, einer kleinen Menge an Cellulose-Nanofasern, gelang es Nyströms Team außerdem, die Mischung 3-D-druckbar zu machen, ohne Färbung und Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.
In Zukunft könnte die Cellulose-basierte Tinte zahlreiche unterschiedliche Anwendungen finden, etwa für Temperatur- und Verformungssensoren, zur Kontrolle der Lebensmittelqualität oder für die biomedizinische Diagnose. „Nachhaltige Materialien, die sich 3-D-drucken lassen, sind von großem Interesse, unter anderem für Anwendungen in biologisch abbaubarer Elektronik und für das Internet der Dinge“, sagt Nyström.
Die strukturelle Farbe von HPC verändert sich nicht nur mit der Konzentration, sondern auch mit der Temperatur. Um diese Eigenschaft besser ausnutzen zu können, setzten die Forschenden der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) um Gustav Nyström der Mischung aus HPC und Wasser noch 0,1 Massenprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu. Dies macht die Flüssigkeit elektrisch leitfähig und ermöglicht es, die Temperatur – und somit die Farbe der Flüssigkristalle – durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern. Mit einem weiteren Zusatz, einer kleinen Menge an Cellulose-Nanofasern, gelang es Nyströms Team außerdem, die Mischung 3-D-druckbar zu machen, ohne Färbung und Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.
Nachhaltige Sensoren und Displays
Mittels 3-D-Druck stellten die Forscher unterschiedliche Anwendungsbeispiele aus der neuartigen Cellulosemischung her. Darunter etwa einen Dehnungssensor, der seine Farbe je nach mechanischer Verformung verändert, sowie ein einfaches Display aus sieben elektrisch gesteuerten Segmenten.In Zukunft könnte die Cellulose-basierte Tinte zahlreiche unterschiedliche Anwendungen finden, etwa für Temperatur- und Verformungssensoren, zur Kontrolle der Lebensmittelqualität oder für die biomedizinische Diagnose. „Nachhaltige Materialien, die sich 3-D-drucken lassen, sind von großem Interesse, unter anderem für Anwendungen in biologisch abbaubarer Elektronik und für das Internet der Dinge“, sagt Nyström.
