Ett elastiskt material som ändrar färg, leder elektricitet, kan 3D-printas och dessutom är biologiskt nedbrytbart? Det är inte bara vetenskapligt önsketänkande:Empa-forskare från Cellulose &Wood Materials-laboratoriet i Dübendorf har tagit fram ett material med exakt dessa egenskaper på basis av cellulosa och kolnanorör. Verket publiceras i tidskriften Advanced Materials Technologies .
Forskarna började med hydroxipropylcellulosa (HPC), som är vanligt förekommande som hjälpämne i bland annat läkemedel, kosmetika och livsmedel. När det blandas med vatten är HPC känt för att bilda flytande kristaller. Dessa kristaller har en anmärkningsvärd egenskap:Beroende på deras struktur – som i sig beror bland annat på koncentrationen av HPC – skimrar de i olika färger, även om de själva inte har någon färg eller pigment.
Detta fenomen kallas strukturell färgning och är känt för att förekomma i naturen:Påfågelfjädrar, fjärilsvingar och kameleonthud får hela eller delar av sin briljanta färg inte från pigment, utan från mikroskopiska strukturer som "delar" det (vita) dagsljuset i spektrala färger och reflekterar endast våglängderna för specifika färger.
Den strukturella färgen hos HPC förändras inte bara med koncentrationen utan också med temperaturen. För att bättre utnyttja denna egenskap tillsatte forskarna, ledda av Gustav Nyström, 0,1 viktprocent kolnanorör till blandningen av HPC och vatten. Detta gör vätskan elektriskt ledande och gör att temperaturen, och därmed färgen på de flytande kristallerna, kan kontrolleras genom att pålägga en spänning.
Som en extra bonus fungerar kolet som en bredbandsabsorbent som gör färgerna djupare. Genom att införliva en liten mängd cellulosananofibrer i blandningen kunde Nyströms team också göra den 3D-utskrivbar utan att påverka strukturell färgning och elektrisk ledningsförmåga.
Forskarna använde den nya cellulosablandningen för att 3D-printa olika potentiella tillämpningar av den nya tekniken. Dessa inkluderade en töjningssensor som ändrar färg som svar på mekanisk deformation och en enkel display med sju segment.
"Vårt labb har redan utvecklat olika elektroniska engångskomponenter baserade på cellulosa, såsom batterier och sensorer", säger Xavier Aeby, medförfattare till studien. "Det här är första gången vi kunde utveckla en cellulosabaserad display."
I framtiden kan det cellulosabaserade bläcket ha många fler tillämpningar, såsom temperatur- och spänningssensorer, inom livsmedelskvalitetskontroll eller biomedicinsk diagnostik. – Hållbara material som kan 3D-printas är av stort intresse, särskilt för tillämpningar inom biologiskt nedbrytbar elektronik och Internet of Things, säger Nyström, chef för laboratoriet.
"Det finns fortfarande många öppna frågor om hur strukturell färgning genereras och hur den förändras med olika tillsatser och miljöförhållanden." Nyström och hans team siktar på att fortsätta detta arbete i hopp om att upptäcka många fler intressanta fenomen och potentiella tillämpningar.
Mer information: Jingjiang Wei et al, tryckta strukturellt färgade cellulosasensorer och skärmar, Avancerade materialteknologier (2023). DOI:10.1002/admt.202370002
Journalinformation: Avancerad materialteknik
Tillhandahålls av Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
