Wissenschaftler entwickeln einen 3D gedruckten Wassersensor

Ein neuer, vielseitiger Kunststoff-Verbundsensor erkennt winzige Wassermengen. Das von einem spanisch-israelischen Wissenschaftlerteam entwickelte 3D-Material ist billig, flexibel und ungiftig und wechselt bei Nässe die Farbe von Purpur nach Blau. Die Forscher um Pilar Amo-Ochoa von der Autonomen Universität von Madrid (UAM) nutzten die Röntgenlichtquelle PETRA III von DESY, um die strukturellen Veränderungen im Material zu verstehen, die durch Wasser ausgelöst werden und zu der beobachteten Farbänderung führen. Die Entwicklung öffnet die Tür zur Generierung einer Familie von 3D-bedruckbaren Funktionsmaterialien, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Advanced Functional Materials schreiben.

In vielen Bereichen, von der Gesundheitskontrolle bis zur Lebensmittelqualitätskontrolle, der Umweltüberwachung und technischen Anwendungen, besteht ein wachsender Bedarf an reaktionsfähigen Sensoren, die schnelle und einfache Änderungen in Gegenwart bestimmter Moleküle zeigen. Wasser gehört zu den am häufigsten zu überwachenden Chemikalien. “Es ist wichtig zu wissen, wie viel Wasser in einer bestimmten Umgebung oder in einem bestimmten Material vorhanden ist”, erklärt DESY-Wissenschaftler Michael Wharmby, Mitautor der Arbeit und Leiter der Versuchsstation P02.1, bei der das Sensormaterial mit Röntgenstrahlen untersucht wurde.

„Wenn zum Beispiel zu viel Wasser in Ölen vorhanden ist, schmieren sie Maschinen möglicherweise nicht gut, während zu viel Wasser im Kraftstoff nicht richtig brennt.“

Der funktionelle Teil des neuen Sensormaterials der Wissenschaftler ist ein sogenanntes kupferbasiertes Koordinationspolymer, eine Verbindung mit einem Wassermolekül, das an ein zentrales Kupferatom gebunden ist. “Beim Erwärmen der Masse auf 60 Grad Celsius ändert sich die Farbe von Blau zu Lila”, berichtet Pilar Amo-Ochoa. „Diese Änderung kann umgekehrt werden, indem man sie an der Luft belässt, in Wasser legt oder in ein Lösungsmittel mit Spuren von Wasser dringt.“ Mit energiereichen Röntgenstrahlen der DESY-Forschungslichtquelle PETRA III in der Versuchsstation P02.1 konnten die Wissenschaftler sehen, dass in der auf 60 Grad Celsius erhitzten Probe das an die Kupferatome gebundene Wassermolekül entfernt worden war. Dies führt zu einer reversiblen strukturellen Neuorganisation des Materials, was die Ursache für die Farbänderung ist.

“Nachdem wir dies verstanden hatten, konnten wir die Physik dieser Veränderung modellieren”, erklärt Mitautor José Ignacio Martínez vom Institut für Materialwissenschaft in Madrid (ICMM-CSIC). Anschließend gelang es den Wissenschaftlern, die Kupferverbindung zu einer 3D-Druckfarbe zu mischen und Sensoren in verschiedenen Formen zu drucken, die sie in Luft und mit unterschiedlich wasserhaltigen Lösungsmitteln testeten. Diese Tests haben gezeigt, dass die bedruckten Objekte aufgrund ihrer porösen Beschaffenheit noch empfindlicher für die Gegenwart von Wasser sind als die Verbindung selbst. In Lösungsmitteln konnten die gedruckten Sensoren in weniger als zwei Minuten bereits 0,3 bis 4 Prozent Wasser erkennen. In Luft konnten sie eine relative Luftfeuchtigkeit von 7 Prozent feststellen.

Wenn es getrocknet wird, entweder in einem wasserfreien Lösungsmittel oder durch Erhitzen, wird das Material wieder violett. Eine detaillierte Untersuchung zeigte, dass das Material auch über viele Heizzyklen hinweg stabil ist und die Kupferverbindungen gleichmäßig über die gedruckten Sensoren verteilt sind. Außerdem ist das Material mindestens ein Jahr lang in Luft stabil und auch bei biologisch relevanten pH-Werten von 5 bis 7. “Aufgrund der Vielseitigkeit des modernen 3D-Drucks können diese Geräte an vielen verschiedenen Orten eingesetzt werden“, Betont Co-Autor Shlomo Magdassi von der Hebräischen Universität von Jerusalem. Er fügt hinzu, dass das Konzept auch für die Entwicklung anderer Funktionsmaterialien verwendet werden könnte.

“Diese Arbeit zeigt die ersten 3D-gedruckten Verbundobjekte, die aus einem nicht porösen Koordinationspolymer erstellt wurden”, sagt Mitautor Félix Zamora von der Autonomen Universität Madrid. “Es öffnet sich die Tür für die Verwendung dieser großen Familie von Verbindungen, die leicht zu synthetisieren sind und interessante magnetische, leitfähige und optische Eigenschaften im Bereich des funktionellen 3D-Drucks aufweisen.”

Die Autonome Universität Madrid, die Hebräische Universität von Jerusalem, die Nanyang Technological University in Singapur, das Institut für Materialwissenschaft in Madrid und DESY trugen zu dieser Forschung bei.