En ny, mångsidig plastkomposit sensor kan upptäcka små mängder vatten. 3D-utskrivbart material, utvecklat av ett spansk-israeliskt team av forskare, är billig, flexibel och giftfri och ändrar sin färg från lila till blått i våta förhållanden. Forskarna, ledd av Pilar Amo-Ochoa från Autonomous University of Madrid (UAM), använde DESYs röntgenljuskälla PETRA III för att förstå de strukturella förändringarna i materialet som utlöses av vatten och leder till den observerade färgförändringen. Utvecklingen öppnar dörren till generationen av en familj av nya 3D-skrivbara funktionella material. Studien publiceras i Avancerade funktionella material .

På många områden, inklusive hälsa, livsmedelskvalitetskontroll, miljöövervakning och tekniska tillämpningar, det finns en växande efterfrågan på responsiva sensorer som visar snabba och enkla förändringar i närvaro av specifika molekyler, och vattensensorer är bland de vanligaste. "Att förstå hur mycket vatten som finns i en viss miljö eller material är viktigt, "förklarar DESY -forskaren Michael Wharmby, medförfattare till papperet och huvudet för beamline P02.1 där sensormaterialet undersöktes med röntgenstrålar. "Till exempel, om det finns för mycket vatten i olja, det kanske inte smörjer maskiner bra, och om det finns för mycket vatten i bränslet, det kanske inte brinner ordentligt. "

Den funktionella delen av forskarnas nya sensormaterial är en kopparbaserad koordinationspolymer, en förening med en vattenmolekyl bunden till en central kopparatom. "Vid uppvärmning av föreningen till 60 grader Celsius, det ändrar färg från blått till lila, "säger Pilar Amo-Ochoa." Denna förändring kan vändas genom att låta den ligga i luften, lägga den i vatten, eller lägga det i ett lösningsmedel med spårmängder vatten i det. "Med hjälp av högenergiröntgen från DESY:s forskningsljuskälla PETRA III vid experimentstationen P02.1, forskarna observerade att i provet uppvärmt till 60 grader Celsius, vattenmolekylen bunden till kopparatomerna hade tagits bort. Detta leder till en reversibel strukturell omorganisation av materialet, vilket är orsaken till färgförändringen.

"Efter att ha förstått detta vi kunde modellera fysiken för denna förändring, "förklarar medförfattaren José Ignacio Martínez från Institute for Materials Science i Madrid (ICMM-CSIC). Forskarna kunde sedan blanda kopparföreningen till ett 3D-tryckfärg och tryckta sensorer i flera olika former som de testade i luft och med lösningsmedel som innehåller olika mängder vatten. Dessa tester visade att de tryckta föremålen är ännu mer känsliga för närvaron av vatten än föreningen i sig, tack vare deras porösa natur. I lösningsmedel, de tryckta sensorerna kunde redan upptäcka 0,3 till 4 procent vatten på mindre än två minuter. I luft, de kunde upptäcka en relativ luftfuktighet på 7 procent.

Om det torkas, antingen i ett vattenfritt lösningsmedel eller genom uppvärmning, materialet blir tillbaka till lila. En detaljerad undersökning visade att materialet är stabilt även under många uppvärmningscykler, och kopparföreningarna är jämnt fördelade över de tryckta sensorerna. Också, materialet är stabilt i luft under minst ett år och även vid biologiskt relevanta pH -värden från 5 till 7. "Dessutom, den mycket mångsidiga karaktären hos modern 3D-utskrift innebär att dessa enheter kan användas på ett stort antal olika platser, "framhåller medförfattaren Shlomo Magdassi från The Hebrew University of Jerusalem. Han tillägger att konceptet också kan användas för att utveckla andra funktionella material.

"Detta arbete visar de första 3D-tryckta kompositobjekten skapade av en icke-porös koordinationspolymer, "säger medförfattaren Félix Zamora från det autonoma universitetet i Madrid." Det öppnar dörren för användningen av denna stora familj av föreningar som är lätta att syntetisera och uppvisar intressant magnetisk, ledande och optiska egenskaper, inom funktionell 3D-utskrift. "