Onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba hebben een nieuw soort kleurverschuivend kristallijn materiaal ontwikkeld dat kan worden gebruikt om de aanwezigheid van water aan te geven. De verandering in tint is dramatisch genoeg om met het blote menselijk oog te worden opgemerkt. Dit werk zou kunnen leiden tot de creatie van zeer gevoelige "vapochrome" sensoren die kunnen aantonen of een bepaald gas of waterdamp aanwezig is zonder dat er externe voeding nodig is.

Chemische sensoren zijn belangrijk voor veel industriële processen. Om de veiligheid en efficiëntie te garanderen, fabrieken moeten vaak worden gecontroleerd op mogelijk giftige gassen of zelfs een te hoge luchtvochtigheid. Sensoren voor waterdamp zijn bijzonder belangrijk, maar kan een beperkte levensduur hebben of externe voeding nodig hebben. Dit behandelen, wetenschappers van de Universiteit van Tsukuba hebben een nieuw kristallijn materiaal uitgevonden dat van kleur verandert wanneer het wordt blootgesteld aan waterdamp. In het kristal, lange vertakte moleculen, dendrimeren genaamd, worden bij elkaar gehouden door van der Waals-krachten.

"De aromatische carbazooldendrimeren die koolstofringen bevatten, zijn verankerd aan een dibenzofenazinekern, ", legt senior auteur professor Yohei Yamamoto uit. "Interessant is dat hoewel van der Waals-krachten meestal als relatief zwak worden beschouwd, het kristal blijft tijdens bedrijf bij elkaar."

Het onderzoeksteam karakteriseerde het nieuwe materiaal ook uitgebreid. Naast het bestuderen van de kleur in zowel de gehydrateerde als de gedehydrateerde toestand met behulp van spectroscopie, de wetenschappers gebruikten technieken zoals monokristallijne en poederröntgendiffractieanalyse, evenals thermogravimetrische analyse. Op basis van de experimentele resultaten en theoretische berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, ze waren in staat om het moleculaire mechanisme te bepalen dat verantwoordelijk is voor de verschillende verschijningsvormen onder verschillende waterconcentraties. De kleurverschuivende eigenschappen van het kristal komen van conformatieveranderingen in de dendrimeren. Bij blootstelling aan waterdamp, de vlakken van de buitenste carbazool-eenheden in het kristal draaien gelijktijdig. Deze beweging verandert de energieën van de elektronische orbitalen, waardoor de elektronen verschillende kleuren licht absorberen.

"Wij geloven dat onze bevindingen zullen leiden tot de verdere exploratie van van der Waals poreuze kristallen, net als metaal-organische raamwerken die een plaats hebben gevonden in de chemie, Professor Yamamoto zegt. "Dit werk kan leiden tot een nieuwe klasse van gassensoren die kunnen werken op moeilijk bereikbare locaties, omdat ze geen externe voeding nodig hebben."