Schweiziska forskare från ETH Zürich har utvecklat en termometer som är minst 100 gånger känsligare än tidigare temperatursensorer. Den består av ett biosyntetiskt hybridmaterial av tobaksceller och nanorör.

Människor har inspirerats av naturen sedan tidernas begynnelse. Vi härmar naturen för att utveckla ny teknik, med exempel som sträcker sig från maskiner till läkemedel till nya material. Flygplan är modellerade efter fåglar och många droger har sitt ursprung i växter. Forskare vid institutionen för maskin- och processteknik har tagit det ett steg längre:för att utveckla en extremt känslig temperatursensor tog de en närmare titt på temperaturkänsliga växter. Dock, de efterliknade inte växternas egenskaper; istället, de utvecklade ett hybridmaterial som innehåller, förutom syntetiska komponenter, själva växtcellerna. "Vi låter naturen göra jobbet åt oss, " förklarar Chiara Daraio, Professor i mekanik och material.

Forskarna kunde utveckla den i särklass mest känsliga temperatursensorn:en elektronisk modul som ändrar sin konduktivitet som en funktion av temperaturen. "Ingen annan sensor kan svara på så små temperaturfluktuationer med så stora förändringar i konduktivitet. Vår sensor reagerar med en responsivitet som är minst 100 gånger högre jämfört med de bästa befintliga sensorerna, säger Raffaele Di Giacomo, en post-doc i Daraios grupp.

Vatten ersätts av nanorör

Det har varit känt i decennier att växter har den extraordinära förmågan att registrera extremt fina temperaturskillnader och svara på dem genom förändringar i ledningsförmågan hos sina celler. Genom att göra så, växter är bättre än någon konstgjord sensor hittills.

Di Giacomo experimenterade med tobaksceller i en cellkultur. "Vi frågade oss själva hur vi kan överföra dessa celler till en livlös, torrt material på ett sådant sätt att deras temperaturkänsliga egenskaper bevaras, " berättar han. Forskarna uppnådde sitt mål genom att odla cellerna i ett medium som innehöll små rör av kol. Dessa elektriskt ledande kolnanorör bildade ett nätverk mellan tobakscellerna och kunde också penetrera cellväggarna. När Di Giacomo torkade nanoröret - odlade celler, han upptäckte en woody, fast material som han kallar "cyberwood". I motsats till trä, detta material är elektriskt ledande tack vare nanorören, och intressant nog är konduktiviteten temperaturberoende och extremt känslig, precis som i levande tobaksceller.

Beröringsfri pekskärm och värmekänsliga kameror

Som demonstrerats av experiment, cyberwood-sensorn kan identifiera varma kroppar även på avstånd; till exempel, en hand som närmar sig sensorn från ett avstånd av några dussin centimeter. Sensorns ledningsförmåga beror direkt på handens avstånd från sensorn.

Enligt forskarna, Cyberwood skulle kunna användas i ett brett spektrum av tillämpningar; till exempel, i utvecklingen av en "beröringsfri pekskärm" som reagerar på gester, med gesterna inspelade av flera sensorer. Lika tänkbara kan vara värmekänsliga kameror eller mörkerseende enheter.

Förtjockningsmedel pektin i en huvudroll

ETH-forskarna, tillsammans med en medarbetare vid universitetet i Salerno, Italien, inte bara utsatt deras nya material egenskaper för en detaljerad undersökning, de analyserade också ursprunget till deras extraordinära beteende. De upptäckte att pektiner och laddade atomer (joner) spelar en nyckelroll i temperaturkänsligheten hos både levande växtceller och det torra cybervedet. Pektiner är sockermolekyler som finns i växtcellväggar som kan tvärbindas, beroende på temperatur, för att bilda en gel. Kalcium- och magnesiumjoner finns båda i denna gel. "När temperaturen stiger, pektinets länkar går isär, gelén blir mjukare, och jonerna kan röra sig mer fritt, " förklarar Di Giacomo. Som ett resultat, materialet leder elektricitet bättre när temperaturen ökar.

Forskarna lämnade in en patentansökan för sin sensor. I pågående arbete, de vidareutvecklar den nu så att den fungerar utan växtceller, huvudsakligen med endast pektin och joner. Deras mål är att skapa en flexibel, transparent och till och med biokompatibel sensor med samma ultrahöga temperaturkänslighet. En sådan sensor skulle kunna gjutas till godtyckliga former och produceras till extremt låg kostnad. Detta kommer att öppna dörren till nya applikationer för termiska sensorer i biomedicinska apparater, konsumentprodukter och lågprisvärmekameror.