een nieuwe, veelzijdige plastic-composiet sensor kan kleine hoeveelheden water detecteren. Het 3D-afdrukbare materiaal, ontwikkeld door een Spaans-Israëlisch team van wetenschappers, is goedkoop, flexibel en niet giftig en verandert van kleur van paars naar blauw in natte omstandigheden. De onderzoekers, onder leiding van Pilar Amo-Ochoa van de Autonome Universiteit van Madrid (UAM), gebruikte DESY's röntgenlichtbron PETRA III om de structurele veranderingen in het materiaal te begrijpen die worden veroorzaakt door water en leiden tot de waargenomen kleurverandering. De ontwikkeling opent de deur naar de generatie van een familie van nieuwe 3D-afdrukbare functionele materialen. De studie is gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen .

Op veel gebieden, inclusief gezondheid, controle van de voedselkwaliteit, milieumonitoring en technische toepassingen, er is een groeiende vraag naar responsieve sensoren die snelle en eenvoudige veranderingen laten zien in de aanwezigheid van specifieke moleculen, en watersensoren behoren tot de meest gebruikte. "Begrijpen hoeveel water er in een bepaalde omgeving of materiaal aanwezig is, is belangrijk, " legt DESY-wetenschapper Michael Wharmby uit, co-auteur van het artikel en hoofd van bundellijn P02.1 waar het sensormateriaal met röntgenstralen werd onderzocht. "Bijvoorbeeld, als er te veel water in de olie zit, het kan machines niet goed smeren, en als er te veel water in de brandstof zit, het kan niet goed branden."

Het functionele deel van het nieuwe sensormateriaal van de wetenschappers is een op koper gebaseerd coördinatiepolymeer, een verbinding met een watermolecuul gebonden aan een centraal koperatoom. "Bij verhitting van de compound tot 60 graden Celsius, het verandert van kleur van blauw naar paars, " zegt Pilar Amo-Ochoa. "Deze verandering kan worden teruggedraaid door het in de lucht te laten, in het water leggen, of door het in een oplosmiddel te doen met sporen van water erin." Met behulp van hoogenergetische röntgenstralen van DESY's onderzoekslichtbron PETRA III op het proefstation P02.1, de wetenschappers merkten op dat in het monster verwarmd tot 60 graden Celsius, het aan de koperatomen gebonden watermolecuul was verwijderd. Dit leidt tot een omkeerbare structurele reorganisatie van het materiaal, wat de oorzaak is van de kleurverandering.

"Dit begrepen hebbend, we waren in staat om de fysica van deze verandering te modelleren, " legt co-auteur José Ignacio Martínez van het Institute for Materials Science in Madrid (ICMM-CSIC) uit. De wetenschappers waren vervolgens in staat om de koperverbinding te mengen in een 3D-drukinkt en geprinte sensoren in verschillende vormen die ze testten in lucht en met oplosmiddelen die verschillende hoeveelheden water bevatten.Uit deze tests bleek dat de geprinte objecten nog gevoeliger zijn voor de aanwezigheid van water dan de verbinding zelf, dankzij hun poreuze karakter. In oplosmiddelen, de geprinte sensoren konden in minder dan twee minuten al 0,3 tot 4 procent water detecteren. In de lucht, ze konden een relatieve vochtigheid van 7 procent detecteren.

Als het gedroogd is, hetzij in een watervrij oplosmiddel of door verwarming, het materiaal wordt weer paars. Een gedetailleerd onderzoek toonde aan dat het materiaal zelfs over vele verwarmingscycli stabiel is, en de koperverbindingen zijn gelijkmatig verdeeld over de geprinte sensoren. Ook, het materiaal is stabiel in de lucht gedurende ten minste een jaar en ook bij biologisch relevante pH-bereiken van 5 tot 7. "Bovendien, het zeer veelzijdige karakter van modern 3D-printen betekent dat deze apparaten op een groot aantal verschillende plaatsen kunnen worden gebruikt, " benadrukt co-auteur Shlomo Magdassi van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. Hij voegt eraan toe dat het concept ook kan worden gebruikt om andere functionele materialen te ontwikkelen.

"Dit werk toont de eerste 3D-geprinte composietobjecten gemaakt van een niet-poreus coördinatiepolymeer, ", zegt co-auteur Félix Zamora van de Autonome Universiteit van Madrid. "Het opent de deur naar het gebruik van deze grote familie van verbindingen die gemakkelijk te synthetiseren zijn en interessante magnetische, geleidende en optische eigenschappen, op het gebied van functioneel 3D-printen."