Wetenschap
Touchless kleurverandering:een nanostructuur met afwisselende lagen van fosfatoantimonaat nanosheets en oxide nanodeeltjes creëert kleur op dezelfde manier als een vlindervleugel of parelmoer. De kleur verandert wanneer een vinger binnen enkele millimeters reikt. Dit komt doordat het materiaal dan het vocht opneemt dat de vinger afgeeft. Krediet:geavanceerde materialen 2015/MPI voor onderzoek in vaste toestand
Hoewel touchscreens praktisch zijn, touchless displays zou nog meer het geval zijn. Dat is omdat, ondanks dat touchscreens de opmars van de smartphone in ons leven mogelijk hebben gemaakt en essentieel zijn voor ons om geldautomaten of kaartautomaten te kunnen gebruiken, ze hebben bepaalde nadelen. Touchscreens lijden na verloop van tijd aan mechanische slijtage en zijn een transmissiepad voor bacteriën en virussen. Om deze problemen te voorkomen, wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart en LMU München hebben nu nanostructuren ontwikkeld die hun elektrische en zelfs hun optische eigenschappen veranderen zodra er een vinger in de buurt komt.
Een touchless display kan mogelijk profiteren van een menselijke eigenschap die van vitaal belang is, hoewel soms ongewenst:dit is het feit dat ons lichaam zweet - en voortdurend watermoleculen uitstraalt door kleine poriën in de huid. Wetenschappers van de Nanochemistry-groep onder leiding van Bettina Lotsch van het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart en de LMU München hebben nu de transpiratie van een vinger kunnen visualiseren met een speciale vochtsensor die reageert zodra een object - zoals een wijsvinger - nadert het oppervlak, zonder het aan te raken. De toenemende luchtvochtigheid wordt omgezet in een elektrisch signaal of vertaald in een kleurverandering, waardoor het gemeten kan worden.
Fosfatoantimoonzuur is wat het mogelijk maakt om dit te doen. Dit zuur is een kristallijne vaste stof bij kamertemperatuur met een structuur die bestaat uit antimoon, fosfor, zuurstof- en waterstofatomen. "Het is al lang bekend bij wetenschappers dat dit materiaal in staat is om water op te nemen en daarbij flink opzwelt, " legde Pirmin Ganter uit, promovendus aan het Max Planck Institute for Solid State Research en de afdeling Chemie van LMU München. Deze wateropname verandert ook de eigenschappen van het materiaal. Bijvoorbeeld, zijn elektrische geleidbaarheid neemt toe naarmate het aantal opgeslagen watermoleculen toeneemt. Hierdoor kan het dienen als een maat voor het omgevingsvocht.
Een sandwich-nanomateriaalstructuur die aan vocht wordt blootgesteld, verandert ook van kleur
Echter, de wetenschappers zijn niet zo geïnteresseerd in het ontwikkelen van een nieuwe vochtsensor. Wat ze echt willen is om het te gebruiken in touchless displays. “Omdat deze sensoren heel lokaal reageren op een eventuele toename van vocht, het is goed denkbaar dat dit soort materiaal met vochtafhankelijke eigenschappen ook gebruikt zou kunnen worden voor touchless displays en monitoren, "zei Ganter. Voor dit soort aanraakloze schermen is niet meer dan een vinger nodig om in de buurt van het scherm te komen om hun elektrische of optische eigenschappen - en daarmee het ingangssignaal - op een specifiek punt op het scherm te veranderen.
Met fosfatoantimonaat nanosheets als basis, de wetenschappers uit Stuttgart ontwikkelden vervolgens een fotonische nanostructuur die op het vocht reageert door van kleur te veranderen. "Als dit in een monitor was ingebouwd, de gebruikers zouden dan zichtbare feedback krijgen op hun vingerbeweging", legt Katalin Szendrei uit, ook een doctoraatsstudent in de groep van Bettina Lotsch. Hiertoe, de wetenschappers creëerden een meerlagig sandwichmateriaal met afwisselende lagen ultradunne fosfatoantimonaat-nanobladen en siliciumdioxide (SiO2) of titaniumdioxide-nanodeeltjes (TiO2). Bestaande uit meer dan tien lagen, de stapel bereikte uiteindelijk een hoogte van iets meer dan een miljoenste meter.
Voor een ding, via de dikte van de lagen kan de kleur van het sandwichmateriaal worden ingesteld. En voor een ander de kleur van de sandwich verandert als de wetenschappers de relatieve vochtigheid in de directe omgeving van het materiaal verhogen, bijvoorbeeld door een vinger naar het scherm te bewegen. "De reden hiervoor ligt in de opslag van watermoleculen tussen de fosfatoantimonaatlagen, waardoor de lagen flink opzwellen, " legt Katalin Szendrei uit. "Een verandering in de dikte van de lagen in dit proces gaat gepaard met een verandering in de kleur van de sensor - geproduceerd op een vergelijkbare manier als wat kleur geeft aan een vlindervleugel of in parelmoer. "
Het materiaal reageert binnen enkele milliseconden op de vochtigheidsverandering
Dit is een eigenschap die fundamenteel bekend en kenmerkend is voor zogenaamde fotonische kristallen. Maar wetenschappers hadden nog nooit zo'n grote kleurverandering waargenomen als nu in het laboratorium in Stuttgart. "De kleur van de nanostructuur verandert van blauw in rood als een vinger in de buurt komt, bijvoorbeeld. Op deze manier, de kleur kan worden afgestemd door het hele zichtbare spectrum, afhankelijk van de hoeveelheid opgenomen waterdamp, " benadrukte Bettina Lotsch.
De nieuwe aanpak van de wetenschappers is niet alleen boeiend vanwege de opvallende kleurverandering. Wat ook belangrijk is, is dat het materiaal binnen enkele milliseconden – letterlijk in een oogwenk – reageert op de verandering in luchtvochtigheid. Eerder gerapporteerde materialen hadden normaal gesproken enkele seconden of langer nodig om te reageren. Dat is veel te langzaam voor praktische toepassingen. En er is nog iets dat andere materialen niet altijd kunnen:de sandwichstructuur bestaande uit fosfatoantimonaat-nanobladen en oxide-nanodeeltjes is chemisch zeer stabiel en reageert selectief op waterdamp.
Een laag die beschermt tegen chemische invloeden moet vocht doorlaten
De wetenschappers kunnen zich voorstellen dat hun materialen in veel meer worden gebruikt dan alleen toekomstige generaties smartphones, tablets of notitieboekjes. "Uiteindelijk, we konden zien dat touchless displays ook worden ingezet op veel plaatsen waar mensen momenteel monitoren moeten aanraken om te navigeren, " zei Bettina Lotsch. Bijvoorbeeld in geldautomaten of kaartautomaten, of zelfs aan de weegschaal in het groentepad van de supermarkt. Displays op openbare plaatsen die door veel verschillende mensen worden gebruikt, zouden duidelijke hygiënische voordelen hebben als ze contactloos waren.
Maar voordat we zien dat ze op zulke plaatsen worden gebruikt, de wetenschappers hebben nog een paar uitdagingen te overwinnen. Het is belangrijk, bijvoorbeeld, dat de nanostructuren economisch geproduceerd kunnen worden. Om slijtage te minimaliseren, de structuren moeten nog steeds worden gecoat met een beschermende laag als ze in zoiets als een display worden gebruikt. En dat, opnieuw, moet aan niet één maar twee verschillende eisen voldoen:het moet de vochtgevoelige lagen beschermen tegen chemische en mechanische invloeden. En het moet, natuurlijk, laat het vocht door. Maar de wetenschappers uit Stuttgart hebben al een idee om dat te bereiken. Een idee dat ze nu in praktijk gaan brengen met een extra samenwerkingspartner aan boord.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com