På grund av deras iriserande färger, opaler har ansetts vara särskilt värdefulla ädelstenar sedan antiken. Hur dessa stenar skimrar orsakas av deras nanostrukturer. En forskargrupp ledd av Prof. Dr. Markus Retsch vid University of Bayreuth har producerat kolloidala kristaller som efterliknar sådana strukturer, som är lämpliga för att konstruera nya typer av sensorer. Dessa sensorer dokumenterar synligt och kontinuerligt temperaturen i sin omgivning under en definierad period. Dom är, därför, skräddarsytt för en permanent övervakning av temperaturkänsliga processer. Forskarna har presenterat sin upptäckt i tidskriften Avancerade material .

Attraktiva tillämpningar är redan i sikte för denna nya typ av sensorer. "För säker drift av moderna högpresterande batterier, det är viktigt att de endast utsätts för måttliga temperaturer under många timmars drift. Kortvariga temperaturspikar kan äventyra batteriernas säkerhet och livslängd. Med hjälp av de nya sensorerna, överensstämmelse med enhetliga omgivningstemperaturer kan övervakas tillförlitligt. Dessutom, sensorn är redan förprogrammerad på grund av dess materialsammansättning:den fungerar självständigt och kan inte manipuleras efteråt, säger doktorandforskaren Marius Schöttle (M.Sc.), huvudförfattare till den nya publikationen. Prof. Dr. Markus Retsch, Ordförande för fysikalisk kemi I och koordinator för den nya studien, tillägger:"Vi har utvecklat en sensor som är känslig för tid och temperatur – utan behov av komplex elektronik eller speciella mätanordningar. Dessutom, de konstgjorda kristallerna vi syntetiserade representerar en ny klass av material som är mycket intressanta för grundforskning. Det är möjligt att dessa kolloidala gradienter kommer att hjälpa oss att spåra upp tidigare otillgängliga fysiska fenomen."

Gradvisa kolloidala kristaller härledda från naturliga opaler

Opaler består av sfäriska partiklar som bildar överordnade nanostrukturer. Interaktioner av dessa mycket symmetriska strukturer med synligt ljus gör att ytorna skimrar i de mest olika färgerna. Detsamma gäller för vingar på fjärilar eller vissa skalbaggar. På senare år har naturliga och konstgjorda representanter för denna klass av material har studerats alltmer. Vid University of Bayreuth, forskargruppen ledd av prof. Dr. Markus Retsch har nu undersökt om nanostrukturerade material kan framställas med denna konstruktionsprincip men med en kontrollerad variation av blandningarna av olika partiklar, som har tekniskt attraktiva egenskaper. Visionen var att realisera nanostrukturerade filmer som gradvis förändrar sina fysiska egenskaper i en viss riktning. Detta unika gradvisa beteende kan uppnås genom att helt enkelt variera sammansättningen av en binär partikelblandning. För det här syftet, forskarna utvecklade en experimentell uppsättning som möjliggör framställning av sådana gradvisa kolloidala kristaller som består av två typer av distinkta partiklar.

Två typer av partiklar producerades i laboratoriet som endast skilde sig åt i en aspekt:​​deras resulterande nanostrukturer smälter samman vid olika temperaturer så att materialens ytor oåterkalleligt förlorar sina iriserande färger. Tekniskt talat, denna irreversibla torrsintringsprocess skapar ett färglöst filmskikt. Forskarna har skapat kolloidala kristaller av båda typerna av partiklar och använt deras nyutvecklade gradienttillverkningsteknik. Strukturen på de resulterande kristallerna är alltid densamma:inom varje kristall, andelen partiklar som förlorar sin struktur vid högre temperaturer och därmed är mer stabila ökar kontinuerligt mot ena sidan. Jämförande studier har visat att en större andel av mer stabila partiklar orsakar en långsammare strukturell nedbrytning i kristallen och fördröjer den resulterande färgförlusten.

Finjusterade kristaller som optiska sensorer

Bayreuth-teamet har nu använt denna upptäckt för att finjustera olika kolloidkristaller. En kolloidkristall i vilken andelen stabila partiklar gradvis förändras tar nu funktionen av en sensor:ju högre temperatur under en definierad period, ju längre färgförlusten sprider sig längs gradientriktningen. Ju kortare perioder under en konstant temperatur, desto snabbare avbryts denna process. Eftersom färgförlusterna är irreversibla i alla fall, sensorn dokumenterar nivån på en omgivningstemperatur som en funktion av tiden.