Een apparaat dat onbekende vloeistoffen onmiddellijk kan identificeren op basis van hun oppervlaktespanning is geselecteerd om de R&D 100 Award 2013 - bekend als "de Oscar van innovatie" - van R&D Magazine te ontvangen.

Uitgevonden in 2011 door een team van materiaalwetenschappers en toegepaste natuurkundigen aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard, het "Watermark Ink" (W-INK) apparaat biedt een goedkope, snel, en draagbare manier om kwaliteitscontroletests uit te voeren en vloeibare verontreinigingen te detecteren.

W-INK past in de palm van een hand en vereist geen stroombron. Het maakt gebruik van de chemische en optische eigenschappen van nauwkeurig nanogestructureerde materialen om vloeistoffen te onderscheiden op basis van hun oppervlaktespanning.

Winnaars van de R&D 100 Awards worden geselecteerd door een onafhankelijke jury en door de redactie van R&D Magazine, die geavanceerde technologieën en innovaties voor onderzoekswetenschappers omvat, ingenieurs, en technische experts over de hele wereld.

Nu in hun 51e jaar, de R&D 100 Awards zijn al lang een maatstaf voor uitmuntendheid voor uiteenlopende industriële sectoren als telecommunicatie, hoge-energiefysica, software, productie, en biotechnologie. R&D 100 Awards hebben baanbrekende nieuwe technologieën geïdentificeerd, zoals de flashcube (1965), de geldautomaat (1973), de halogeenlamp (1974), het faxapparaat (1975), het LCD-scherm (1980), de Nicoderm antirookpleister (1992), Taxol-medicijn tegen kanker (1993), lab op een chip (1996), en HDTV (1998).

"Visuele colorimetrische indicatoren, zoals pH-papier of zwangerschapstesten, hebben een groot commercieel succes gehad omdat ze niet duur en buitengewoon gebruiksvriendelijk zijn, " zegt Joanna Aizenberg, die de Amy Smith Berylson Professor of Materials Science is aan Harvard SEAS en een kernfaculteitslid van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University. "Onze W-INK-technologie breidt dit concept enorm uit omdat het alle vloeistoffen kan detecteren door slim ontworpen, chemisch gecodeerde opalen die gemakkelijk te herkennen, macroscopisch verschillende structurele kleurpatronen bij vloeistofafvoer."

Aizenberg zegt dat ze een breed scala aan industriële en consumententoepassingen voor ogen heeft, bijvoorbeeld het opsporen van gifstoffen in een chemische lekkage; het testen van het alcoholgehalte of de kwaliteit van benzine, suiker of cafeïne; of het maken van eenvoudige leersets en speelgoed.

Het project was een samenwerking tussen Aizenberg en Marko Lon?ar, Tiantsai Lin Hoogleraar Elektrotechniek bij SEAS.

Dit is de tweede keer op rij dat het team van Aizenberg een R&D 100 Award heeft gewonnen. In 2012, haar onderzoeksgroep werd erkend voor hun uitvinding van een extreem wrijvingsarm materiaal genaamd SLIPS, voor "glad, met vloeistof doordrenkte poreuze oppervlakken." Geïnspireerd door de bekerplant, SLIPS is bestand tegen vloeistof, ijs, en vuil en kunnen worden verwerkt in een breed scala aan producten, van medische apparaten tot koelkasten.

"Deze R&D 100 Awards zijn een bewijs van de rol van gedurfd wetenschappelijk denken en toegepast onderzoek bij het oplossen van alledaagse uitdagingen - in het geval van W-INK, verbetering van de kwaliteitscontrole en beveiliging, " zegt Cherry A. Murray, decaan van Harvard SEAS, John A. en Elizabeth S. Armstrong, hoogleraar techniek en toegepaste wetenschappen, en hoogleraar natuurkunde. "De W-INK-technologie is gebaseerd op inzichten uit de chemie, materiaal kunde, optiek, zelfmontage, en nanotechnologie om een ​​bedrieglijk eenvoudige chip te maken met het potentieel om een ​​heel grote impact te maken."

Het W-INK-concept is gebaseerd op een nauwkeurig vervaardigd materiaal dat een inverse opaal wordt genoemd, een gelaagde glasstructuur met een intern netwerk van geordende, onderling verbonden luchtporiën. Verwant aan het lakmoespapier dat in scheikundelaboratoria over de hele wereld wordt gebruikt om de pH van een vloeistof te detecteren, het W-INK-apparaat verandert van kleur wanneer het in aanraking komt met een vloeistof met een bepaalde oppervlaktespanning. Een enkele chip kan anders reageren op een breed scala aan stoffen; het is ook gevoelig genoeg om onderscheid te maken tussen twee zeer nauw verwante vloeistoffen.

Het selectief behandelen van delen van het inverse opaal met verdampte chemicaliën en zuurstofplasma creëert variaties in de reactieve eigenschappen van de poriën en kanalen, één vloeistof doorlaten terwijl andere worden uitgesloten. Wanneer de juiste vloeistof een porie binnendringt, de chip reflecteert licht anders, waardoor een veelbetekenende kleurverandering ontstaat.

"Het is fantastisch om te zien dat Joanna en haar team opnieuw worden erkend voor hun beheersing van bio-geïnspireerd ontwerp, " zegt Wyss Founding Director Donald Ingber, die ook hoogleraar bio-engineering is aan Harvard SEAS. "De iriserende lichteffecten van omgekeerde opalen zijn overal in de natuur te vinden, van vlindervleugels tot oesterschelpen - en W-INK gebruikt deze ontwerpprincipes in een geheel nieuwe, innovatieve manier met directe relevantie voor de samenleving."

Aizenberg en Lon?ar werden in het eerste onderzoek vergezeld door Ian B. Burgess (die destijds een doctoraatsstudent was aan Harvard SEAS en nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Wyss Institute), Lidiya Mishchenko (een afgestudeerde student aan SEAS), Matthias Kolle (postdoctoraal onderzoeker bij SEAS), en Benjamin D. Hatton (een aangestelde onderzoeksmedewerker bij SEAS en een fellow voor technologieontwikkeling bij het Wyss Institute).

De winnaars van de R&D 100 Awards zullen tijdens een ceremonie in november 2013 worden erkend.