Zwitserse wetenschappers van ETH Zürich hebben een thermometer ontwikkeld die minstens 100 keer gevoeliger is dan eerdere temperatuursensoren. Het bestaat uit een biosynthetisch hybride materiaal van tabakscellen en nanobuisjes.

De mens is sinds het begin der tijden geïnspireerd door de natuur. We bootsen de natuur na om nieuwe technologieën te ontwikkelen, met voorbeelden variërend van machines tot geneesmiddelen tot nieuwe materialen. Vliegtuigen zijn gemodelleerd naar vogels en veel medicijnen vinden hun oorsprong in planten. Onderzoekers van de faculteit Werktuigbouwkunde en Procestechnologie gaan nog een stap verder:om een ​​extreem gevoelige temperatuursensor te ontwikkelen, hebben ze temperatuurgevoelige planten onder de loep genomen. Echter, ze bootsten de eigenschappen van de planten niet na; in plaats daarvan, ontwikkelden ze een hybride materiaal dat bevat, naast synthetische componenten, de plantencellen zelf. "We laten de natuur het werk voor ons doen, " legt Chiara Daraio uit, Hoogleraar Mechanica en Materialen.

De wetenschappers konden veruit de meest gevoelige temperatuursensor ontwikkelen:een elektronische module die zijn geleidbaarheid verandert als functie van de temperatuur. "Geen enkele andere sensor kan reageren op zulke kleine temperatuurschommelingen met zulke grote veranderingen in geleidbaarheid. Onze sensor reageert met een responsiviteit die minstens 100 keer hoger is in vergelijking met de beste bestaande sensoren, " zegt Raffaele Di Giacomo, een postdoc in de groep van Daraio.

Water wordt vervangen door nanobuisjes

Het is al decennia bekend dat planten het buitengewone vermogen hebben om extreem fijne temperatuurverschillen te registreren en daarop te reageren door veranderingen in de geleidbaarheid van hun cellen. Daarbij, planten zijn tot nu toe beter dan welke door de mens gemaakte sensor dan ook.

Di Giacomo experimenteerde met tabakscellen in een celcultuur. "We vroegen ons af hoe we deze cellen in een levenloze, droog materiaal zodanig dat hun temperatuurgevoelige eigenschappen behouden blijven, ", vertelt hij. De wetenschappers bereikten hun doel door de cellen te kweken in een medium dat kleine koolstofbuisjes bevat. Deze elektrisch geleidende koolstofnanobuisjes vormden een netwerk tussen de tabakscellen en konden ook de celwanden binnendringen. Toen Di Giacomo het nanobuisje droogde -gecultiveerde cellen, hij ontdekte een houtachtige, stevig materiaal dat hij 'cyberwood' noemt. In tegenstelling tot hout, dit materiaal is elektrisch geleidend dankzij de nanobuisjes, en interessant genoeg is de geleidbaarheid temperatuurafhankelijk en extreem gevoelig, net als in levende tabakscellen.

Touchless touchscreen en warmtegevoelige camera's

Zoals blijkt uit experimenten, de cyberwood-sensor kan zelfs op afstand warme lichamen identificeren; bijvoorbeeld, een hand die de sensor nadert op een afstand van enkele tientallen centimeters. De geleidbaarheid van de sensor is direct afhankelijk van de afstand van de hand tot de sensor.

Volgens de wetenschappers cyberwood kan in een breed scala aan toepassingen worden gebruikt; bijvoorbeeld, bij de ontwikkeling van een 'touchless touchscreen' dat reageert op gebaren, met de gebaren geregistreerd door meerdere sensoren. Evenzeer denkbaar zijn warmtegevoelige camera's of nachtkijkers.

Verdikkingsmiddel pectine in hoofdrol

De ETH-wetenschappers, samen met een medewerker van de Universiteit van Salerno, Italië, onderwierpen niet alleen de eigenschappen van hun nieuwe materiaal aan een gedetailleerd onderzoek, ze analyseerden ook de oorsprong van hun buitengewone gedrag. Ze ontdekten dat pectines en geladen atomen (ionen) een sleutelrol spelen in de temperatuurgevoeligheid van zowel levende plantencellen als het droge cyberhout. Pectines zijn suikermoleculen die worden aangetroffen in celwanden van planten en die kunnen worden verknoopt, afhankelijk van de temperatuur, om een ​​gel te vormen. Calcium- en magnesiumionen zijn beide aanwezig in deze gel. "Als de temperatuur stijgt, de schakels van de pectine breken uit elkaar, de gel wordt zachter, en de ionen kunnen vrijer bewegen, " legt Di Giacomo uit. Als gevolg hiervan, het materiaal geleidt elektriciteit beter als de temperatuur stijgt.

De wetenschappers dienden een patentaanvraag in voor hun sensor. Bij lopende werkzaamheden, ze zijn het nu verder aan het ontwikkelen zodat het functioneert zonder plantencellen, hoofdzakelijk met alleen pectine en ionen. Hun doel is om een ​​flexibele, transparante en zelfs biocompatibele sensor met dezelfde ultrahoge temperatuurgevoeligheid. Een dergelijke sensor kan in willekeurige vormen worden gegoten en tegen extreem lage kosten worden geproduceerd. Dit opent de deur naar nieuwe toepassingen voor thermische sensoren in biomedische apparaten, consumentenproducten en goedkope thermische camera's.