3D-Druck trifft auf Nachhaltigkeit: Biologisch abbaubare Sensoren und Displays

Forscher*innen der Empa haben ein auf Zellulose basierendes Material entwickelt das den 3D-Druck von biologisch abbaubaren Sensoren und Displays ermöglicht. Die Mischung aus Hydroxypropylzellulose Wasser Kohlenstoffnanoröhren und Zellulosenanofibrillen ändert ihre Farbe wenn sie erhitzt oder gedehnt wird – und das ganz ohne Zugabe von Pigmenten.

HPC bildet Flüssigkristalle, die je nach Struktur und Konzentration verschiedene Farben reflektieren, obwohl sie farblos sind. Dieses Phänomen, bekannt als strukturelle Färbung, findet sich in der Natur in Pfauenfedern, Schmetterlingsflügeln und der Chamäleonhaut. Die Farbe der HPC-Flüssigkristalle ändert sich mit der Konzentration und Temperatur.

Die Forscher*innen um Gustav Nyström ergänzten die HPC-Wasser-Mischung mit 0.1 Massenprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wodurch sie elektrisch leitfähig wurde. Dies ermöglichte es ihnen, die Farbe der Flüssigkristalle durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern. Zusätzlich intensivierte der Kohlenstoff die Farben. Durch Zugabe von Cellulose-Nanofasern konnte die Mischung 3D-gedruckt werden.

Die Wissenschaftler*innen stellten verschiedene Anwendungen her, darunter einen Dehnungssensor, der seine Farbe je nach Verformung ändert, und ein einfaches, elektrisch gesteuertes Display.

“Wir haben in unserem Labor bereits unterschiedliche elektronische Komponenten auf der Basis von Cellulose entwickelt, etwa Batterien und Sensoren”, sagt Xavier Aeby, Co-Autor der Studie. “Das ist nun das erste Mal, dass wir auch ein Display auf Cellulose-Basis entwickeln konnten.”

Laborleiter Nyström hofft, weitere Anwendungen für die Cellulose-basierte Tinte zu entdecken, beispielsweise in biologisch abbaubarer Elektronik und dem Internet der Dinge.

“Nachhaltige Materialien, die sich 3D-drucken lassen, sind von grossem Interesse, unter anderem für Anwendungen in biologisch abbaubarer Elektronik und für das Internet der Dinge”, sagt Laborleiter Nyström. “Es gibt noch viele offene Fragen dazu, wie strukturelle Färbung überhaupt entsteht und wie sie sich durch unterschiedliche Zusatzstoffe oder durch Umwelteinflüsse verändern lässt.”