Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers creëren 3D-geprint, biologisch afbreekbaar, kleurveranderend geleidend materiaal uit cellulose

Kleurrijke cellulose:het Empa-logo, 3D-geprint uit het nieuwe HPC-mengsel, verandert van kleur als het warmer wordt. Credit:Empa

Een elastisch materiaal dat van kleur verandert, elektriciteit geleidt, 3D-geprint kan worden en bovendien biologisch afbreekbaar is? Dat is niet alleen maar wetenschappelijk wensdenken:Empa-onderzoekers van het Cellulose &Wood Materials-laboratorium in Dübendorf hebben op basis van cellulose- en koolstofnanobuisjes een materiaal met deze exacte eigenschappen geproduceerd. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials Technologies .

De onderzoekers begonnen met hydroxypropylcellulose (HPC), dat veel wordt gebruikt als hulpstof in onder meer geneesmiddelen, cosmetica en voedingsmiddelen. Het is bekend dat HPC bij menging met water vloeibare kristallen vormt. Deze kristallen hebben een opmerkelijke eigenschap:afhankelijk van hun structuur – die onder andere afhangt van de concentratie HPC – glinsteren ze in verschillende kleuren, hoewel ze zelf geen kleur of pigment hebben.

Dit fenomeen wordt structurele kleuring genoemd en het is bekend dat het in de natuur voorkomt:pauwenveren, vlindervleugels en kameleonhuiden krijgen hun schitterende kleur geheel of gedeeltelijk niet van pigmenten, maar van microscopisch kleine structuren die het (witte) daglicht in spectrale kleuren "splitsen". en reflecteren alleen de golflengten voor specifieke kleuren.

Biologisch afbreekbaar:het display bestaat uit zeven elektrisch geleidende segmenten die van kleur veranderen wanneer er spanning op wordt gezet. Credit:Empa

De structurele kleuring van HPC verandert niet alleen met de concentratie, maar ook met de temperatuur. Om deze eigenschap beter te benutten, voegden de onderzoekers onder leiding van Gustav Nyström 0,1 gewichtsprocent koolstofnanobuisjes toe aan het mengsel van HPC en water. Hierdoor wordt de vloeistof elektrisch geleidend en kan de temperatuur, en dus de kleur van de vloeibare kristallen, worden geregeld door het aanleggen van een spanning.

Als extra bonus fungeert de koolstof als een breedbandabsorber die de kleuren dieper maakt. Door een kleine hoeveelheid cellulose-nanovezels in het mengsel op te nemen, kon het team van Nyström het ook 3D-printbaar maken zonder de structurele kleuring en elektrische geleidbaarheid te beïnvloeden.

Duurzame sensoren en displays

De onderzoekers gebruikten het nieuwe cellulosemengsel om verschillende mogelijke toepassingen van de nieuwe technologie in 3D te printen. Deze omvatten een reksensor die van kleur verandert als reactie op mechanische vervorming en een eenvoudig display met zeven segmenten.

“Ons laboratorium heeft al verschillende wegwerpbare elektronische componenten ontwikkeld op basis van cellulose, zoals batterijen en sensoren”, zegt Xavier Aeby, co-auteur van het onderzoek. "Dit is de eerste keer dat we een op cellulose gebaseerd display hebben kunnen ontwikkelen."

In de toekomst zou de op cellulose gebaseerde inkt nog veel meer toepassingen kunnen hebben, zoals temperatuur- en spanningssensoren, bij voedselkwaliteitscontrole of biomedische diagnostiek. “Duurzame materialen die 3D-geprint kunnen worden zijn van groot belang, vooral voor toepassingen in biologisch afbreekbare elektronica en het Internet of Things”, zegt Nyström, hoofd van het laboratorium.

"Er zijn nog steeds veel open vragen over hoe structurele kleuring wordt gegenereerd en hoe deze verandert met verschillende additieven en omgevingsomstandigheden." Nyström en zijn team willen dit werk voortzetten in de hoop nog veel meer interessante fenomenen en potentiële toepassingen te ontdekken.

Meer informatie: Jingjiang Wei et al., Structureel gekleurde cellulosesensoren en -displays, Geavanceerde materiaaltechnologieën (2023). DOI:10.1002/admt.202370002

Journaalinformatie: Geavanceerde materiaaltechnologieën

Geleverd door Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschappen en technologie




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Cambodja neemt lading ivoor in beslag, verborgen in holle boomstammen
  2. Zit moraliteit in de hersenen?
  3. Dode vissen stapelen zich op aan de kusten van de San Francisco Bay Area:een giftige algenbloei is de waarschijnlijke oorzaak
  4. Tropische insecten zijn extreem gevoelig voor veranderende klimaten
  5. Onderwaterhitte inferno verwoest mediterrane koralen
  6. Instrumenten die worden gebruikt in de biologie
  7. Interspecifieke concurrentie versus intraspecifieke concurrentie
  8. Een plantencel maken uit gerecycleerde materialen
  9. Gel elektroforese lezen

Wetenschap