Door hun iriserende kleuren, opalen worden sinds de oudheid als bijzonder kostbare edelstenen beschouwd. De manier waarop deze stenen glinsteren wordt veroorzaakt door hun nanostructuren. Een onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Dr. Markus Retsch aan de Universiteit van Bayreuth heeft colloïdale kristallen geproduceerd die dergelijke structuren nabootsen, die geschikt zijn voor het bouwen van nieuwe typen sensoren. Deze sensoren leggen gedurende een bepaalde periode zichtbaar en continu de temperatuur in hun omgeving vast. Zij zijn, daarom, op maat gemaakt voor een permanente bewaking van temperatuurgevoelige processen. De wetenschappers hebben hun ontdekking gepresenteerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Aantrekkelijke toepassingen voor dit nieuwe type sensoren zijn al in zicht. "Voor de veilige werking van moderne high-performance batterijen, het is belangrijk dat ze gedurende vele uren aan slechts gematigde temperaturen worden blootgesteld. Kortstondige temperatuurpieken kunnen de veiligheid en levensduur van de batterijen in gevaar brengen. Met behulp van de nieuwe sensoren, de naleving van uniforme omgevingstemperaturen kan betrouwbaar worden gecontroleerd. Bovendien, de sensor is door zijn materiaalsamenstelling al voorgeprogrammeerd:hij werkt autonoom en kan achteraf niet worden gemanipuleerd, " zegt promovendus Marius Schöttle (M.Sc.), hoofdauteur van de nieuwe publicatie. Prof. Dr. Markus Retsch, Voorzitter Fysische Chemie I en coördinator van de nieuwe studie, voegt toe:"We hebben een sensor ontwikkeld die gevoelig is voor tijd en temperatuur, zonder dat er ingewikkelde elektronica of speciale meetapparatuur nodig is. de kunstmatige kristallen die we hebben gesynthetiseerd vertegenwoordigen een nieuwe klasse van materialen die zeer interessant zijn voor fundamenteel onderzoek. Het is mogelijk dat deze colloïdale gradiënten ons zullen helpen om voorheen ontoegankelijke fysieke verschijnselen op te sporen."

Geleidelijke colloïdale kristallen afgeleid van natuurlijke opalen

Opalen bestaan ​​uit bolvormige deeltjes die bovengeschikte nanostructuren vormen. Interacties van deze zeer symmetrische structuren met zichtbaar licht doen de oppervlakken glinsteren in de meest uiteenlopende kleuren. Hetzelfde geldt voor de vleugels van vlinders of sommige kevers. In recente jaren, natuurlijke en kunstmatige vertegenwoordigers van deze klasse materialen zijn in toenemende mate bestudeerd. Aan de universiteit van Bayreuth, het onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Markus Retsch heeft nu onderzocht of nanogestructureerde materialen kunnen worden geproduceerd met dit constructieprincipe, maar met een gecontroleerde variatie van de mengsels van verschillende deeltjes, die technologisch aantrekkelijke eigenschappen hebben. De visie was om nanogestructureerde films te realiseren die geleidelijk hun fysieke eigenschappen in een bepaalde richting veranderen. Dit unieke geleidelijke gedrag kan worden bereikt door eenvoudigweg de samenstelling van een mengsel van binaire deeltjes te variëren. Voor dit doeleinde, de onderzoekers ontwikkelden een experimentele opstelling die de bereiding van dergelijke geleidelijke colloïdale kristallen mogelijk maakt, bestaande uit twee soorten verschillende deeltjes.

In het laboratorium werden twee soorten deeltjes geproduceerd die slechts in één aspect van elkaar verschilden:hun resulterende nanostructuren versmelten bij verschillende temperaturen, zodat de oppervlakken van de materialen hun iriserende kleuren onherstelbaar verliezen. Technisch sprekend, dit onomkeerbare droge sinterproces zorgt voor een kleurloze filmlaag. De onderzoekers hebben colloïdale kristallen gemaakt van beide soorten deeltjes en hebben hun nieuw ontwikkelde gradiëntfabricagetechniek gebruikt. De structuur van de resulterende kristallen is altijd hetzelfde:binnen elk kristal, het aandeel deeltjes dat bij hogere temperaturen hun structuur verliest en dus stabieler is, neemt voortdurend naar één kant toe. Vergelijkende studies hebben aangetoond dat een groter percentage stabielere deeltjes een langzamere structurele afbraak in het kristal veroorzaakt en het resulterende kleurverlies vertraagt.

Fijn afgestemde kristallen als optische sensoren

Het Bayreuth-team heeft deze ontdekking nu gebruikt om verschillende colloïde kristallen te verfijnen. Een colloïdaal kristal waarin het aandeel stabiele deeltjes geleidelijk verandert, neemt nu de functie van een sensor over:hoe hoger de temperatuur gedurende een bepaalde periode, hoe verder het kleurverlies zich in de richting van de gradiënt verspreidt. Hoe korter de perioden bij een constante temperatuur, hoe eerder dit proces wordt afgebroken. Aangezien de kleurverliezen in ieder geval onomkeerbaar zijn, de sensor documenteert het niveau van een omgevingstemperatuur als functie van de tijd.