Künstliche Opale als Temperatursensoren

Der Edelstein Opal besteht aus kugelförmigen Kieselgel-Partikeln, die hochsymmetrische Nanostrukturen ausbilden, mit dem sichtbaren Licht wechselwirken und so bekanntermaßen in den verschiedensten Farben schillern können. Diese höchstinteressanten Nanostrukturen finden sich auch in den Flügeln von Schmetterlingen und manchen Käfern wieder.

Forscher an der Uni Bayreuth haben sich diesen Aufbau als Vorbild genommen und versucht, aus genau definierten Mischungen unterschiedlicher Partikel eben diese Strukturen nachzubilden. Ziel war es, Materialfilme herzustellen, deren physikalische Eigenschaften sich entlang einer Richtung allmählich ändern können. Dieser Effekt kann erzielt werden, wenn sich das Mischungsverhältnis dieser Partikel zueinander entlang einer Richtung in definiertem Maße ändert.

Diese künstlichen Kolloidkristalle werden experimentell über eine Emulsionspolymerisation aus Methylmethacrylat, Butylacrylat und einem Salz der 3-Styrolsulfonsäure unter Stickstoffatmosphäre hergestellt. Die homogenen Kolloidkristalle werden dann über eine spezielle Tauchbeschichtung auf ein Glassubstrat aufgebracht. Für den Aufbau dieser Kristalle wurden 2 Sorten von Partikeln hergestellt, deren Nanostrukturen sich bei unterschiedlich hohen Temperaturen irreversibel auflösen können.

Innerhalb eines Kristalls nimmt dann bei Temperatureinwirkung der Anteil der Partikel, deren Nanostruktur erst bei höheren Temperaturen zerstört wird, zu. Somit wird der Kristall dann entlang einer genau definierten Richtung stabiler, verliert dadurch aber auch zunehmend seine Farbe.

Diesen Effekt macht man sich bei Temperatursensoren, z. B. im Lebensmittelbereich und vor allem bei Hochleistungsbatterien, die im Betrieb nur moderaten Temperaturen ausgesetzt sein dürfen, zunutze. Ein nicht mehr manipulierbarer und autonom arbeitender Sensor!

Derzeit will man diese neue Materialklasse an Kristallen noch etwas präziser einstellen. Je höher die Temperatur steigt innerhalb eines bestimmten Zeitraums, desto stärker fällt der Farbverlust durch den beschriebenen Prozess auf der Oberfläche nach einer Richtung hin aus. Je kürzer der Zeitraum bei gleichbleibender höherer Temperatur ist, desto früher bricht dieser Prozess ab. So können diese Kolloidkristalle sowohl die Höhe der Umgebungstemperatur in Abhängigkeit der Zeit dokumentieren und somit für die Langzeitverfolgung eingesetzt werden, als auch für Anwendungen mit genau definierten Schwellenwerten.
Äußerst innovativ!

Wir sind gespannt auf weitere praktische Einsatzgebiete!

Autor: Dr. Ronald Hinz, Market Intelligence Senior Expert, SVP Deutschland AG
Quellen: Time-Temperature Integrating Optical Sensors Based on Gradient Colloidal Crystals by Marius Schöttle, Thomas Tran, Tanja Feller, and Markus Retsch in Adv. Mater. 2021, 33, 2101948; DOI: 10.1002/adma.202101948