Empa ontwikkelt biologisch afbreekbare sensoren en displays

Met 3D-printen biologisch afbreekbare sensoren en displays maken? Een materiaal waarmee dat mogelijk is, hebben onderzoekers van het Empa-laboratorium “Cellulose & Wood Materials” op basis van cellulose ontwikkeld. De mix van hydroxypropylcellulose, water, koolstofnanobuisjes en cellulose-nanovezels verandert van kleur afhankelijk van de temperatuur en rek – en dit geheel zonder toevoeging van pigmenten.

(Dübendorf) Een elastisch materiaal dat van kleur verandert, elektriciteit geleidt, 3D-geprint kan worden en bovendien biologisch afbreekbaar is? Dit is niet slechts een wensdroom van de wetenschap: precies deze “wonderbaarlijke uitvinding” hebben Empa-onderzoekers uit het laboratorium “Cellulose & Wood Materials” in Dübendorf op basis van cellulose en koolstofnanobuisjes vervaardigd.

Als uitgangsmateriaal diende de onderzoekers hydroxypropylcellulose (HPC), die onder andere als hulpstof in farmaceutische producten, cosmetica en voedingsmiddelen wordt gebruikt. Een bijzonderheid van HPC is dat het na toevoeging van water vloeibare kristallen vormt. Deze vloeibare kristallen hebben een opmerkelijke eigenschap: afhankelijk van de kristalstructuur – die onder andere afhankelijk is van de HPC-concentratie – schitteren ze in de meest uiteenlopende kleuren, hoewel ze eigenlijk kleur- of pigmentloos zijn. Dit fenomeen wordt structurele kleuring genoemd en is uit de natuur bekend: pauwenveren, vlinder vleugels en de huid van een kameleon krijgen hun kleurrijke tint geheel of gedeeltelijk niet door kleurstoffen, maar door microscopische structuren die het invallende (witte) daglicht in zijn spectrale kleuren “splitsen” en alleen bepaalde golflengten – oftewel: kleuren – reflecteren.

Kleur verandert ook met de temperatuur

De structurele kleur van HPC verandert echter niet alleen met de concentratie, maar ook met de temperatuur. Om deze eigenschap beter te benutten, voegden de onderzoekers rond Gustav Nyström 0,1 massa-procent koolstofnanobuisjes toe aan de mix van HPC en water. Dit maakt de vloeistof elektrisch geleidend en stelt de onderzoekers in staat om de temperatuur – en dus de kleur van de vloeibare kristallen – te regelen door het aanleggen van een elektrische spanning. Bonus: de koolstof fungeert als breedbandabsorber, die de kleuren intenser maakt. Met een verdere toevoeging, een kleine hoeveelheid cellulose-nanovezels, slaagde het team van Nyström er bovendien in om de mix 3D-printbaar te maken, zonder de kleuring en geleidbaarheid te beïnvloeden.

Biologisch afbreekbaar: Het display bestaat uit 7 geleidende segmenten die van kleur veranderen door stroomwarmte

Met 3D-printen maakten de onderzoekers verschillende toepassingsvoorbeelden van de nieuwe cellulosemix. Daaronder een rekensor, die zijn kleur verandert afhankelijk van mechanische vervorming, en een eenvoudig display van zeven elektrisch aangestuurde segmenten. “We hebben in ons laboratorium al verschillende elektronische componenten op basis van cellulose ontwikkeld, zoals batterijen en sensoren,” zegt Xavier Aeby, co-auteur van de studie. “Dit is nu de eerste keer dat we ook een display op cellulosebasis hebben kunnen ontwikkelen.”

Verschillende toepassingen denkbaar

In de toekomst zou de cellulose-gebaseerde inkt tal van verschillende toepassingen kunnen vinden, bijvoorbeeld voor temperatuur- en vervormingssensoren, voor de controle van voedselkwaliteit of voor biomedische diagnose. “Duurzame materialen die 3D-geprint kunnen worden, zijn van groot belang, onder andere voor toepassingen in biologisch afbreekbare elektronica en voor het Internet der Dingen,” zegt laboratoriumleider Nyström. “Er zijn nog veel open vragen over hoe structurele kleuring überhaupt ontstaat en hoe deze kan worden veranderd door verschillende toevoegstoffen of door omgevingsinvloeden.” Dit wil Nyström met zijn team verder onderzoeken in de hoop nog meer interessante fenomenen en toepassingsmogelijkheden te ontdekken.

Foto’s: © Empa