Cellulose gedrenkt in een zorgvuldig ontworpen polymeermengsel fungeert als een sensor om druk te meten, temperatuur en vochtigheid tegelijk. De metingen zijn volledig onafhankelijk van elkaar. Het vermogen om druk te meten, temperatuur en vochtigheid is belangrijk in veel toepassingen, zoals het monitoren van patiënten thuis, robotica, elektronische huid, functioneel textiel, toezicht en beveiliging, om er een paar op te noemen.

Onderzoek tot nu toe heeft verschillende sensoren in hetzelfde circuit geïntegreerd, die verschillende technische uitdagingen met zich meebracht, niet in de laatste plaats met betrekking tot de gebruikersinterface.

Wetenschappers van het Laboratorium voor Organische Elektronica aan de Universiteit van Linköping onder leiding van professor Xavier Crispin hebben met succes alle drie de metingen gecombineerd in een enkele sensor.

Dit is mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een elastische aerogel van polymeren die zowel ionen als elektronen geleidt, en de daaropvolgende exploitatie van het thermo-elektrische effect. Een thermo-elektrisch materiaal is een materiaal waarin elektronen van de koude kant van het materiaal naar de warme kant gaan, spanningsverschil creëren.

Wanneer nanovezels van cellulose worden gemengd met het geleidende polymeer PEDOT:PSS in water en het mengsel wordt gevriesdroogd in een vacuüm, het resulterende materiaal heeft de sponsachtige structuur van een aerogel. Door een stof toe te voegen die bekend staat als polysilaan, wordt de spons elastisch. Het aanbrengen van een elektrische potentiaal over het materiaal geeft een lineaire stroomtoename, typisch voor elke weerstand. Maar als het materiaal onder druk staat, zijn weerstand daalt en elektronen stromen er gemakkelijker doorheen.

Omdat het materiaal thermo-elektrisch is, het is ook mogelijk om temperatuurveranderingen te meten. Hoe groter het temperatuurverschil tussen de warme en koude zijde, hoe hoger de spanning. De vochtigheid beïnvloedt hoe snel de ionen van de warme kant naar de koude kant gaan. Als de luchtvochtigheid nul is, er worden geen ionen getransporteerd.

"Wat nieuw is, is dat we onderscheid kunnen maken tussen de thermo-elektrische respons van de elektronen (die de temperatuurgradiënt geven) en die van de ionen (die de vochtigheidsgraad geven) door het elektrische signaal versus de tijd te volgen. Dat komt omdat de twee reacties plaatsvinden op verschillende snelheden, " zegt Xavier Crispin, professor in het Laboratory of Organic Electronics en hoofdauteur van het artikel gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap .

"Dit betekent dat we met één materiaal drie parameters kunnen meten, zonder dat de verschillende metingen worden gekoppeld, " hij zegt.

Shaobo Han, promovendus, en hoofddocent Simone Fabiano bij het Laboratorium voor Organische Elektronica, hebben ook een manier gevonden om de drie signalen zo te scheiden dat ze elk afzonderlijk kunnen worden gelezen.

"Onze unieke sensor maakt ook de weg vrij voor het internet der dingen, en brengt een lagere complexiteit en lagere productiekosten met zich mee. Dit is een voordeel in de beveiligingsbranche. Een andere mogelijke toepassing is het plaatsen van sensoren in verpakkingen met gevoelige goederen, ' zegt Simone Fabiano.