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Faszination Technik Cellulose-basierte 3D-Druck-Tinte mit Chamäleon-Effekt

Quelle: Empa / Redakteur: Dorothee Quitter 2 min Lesedauer

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EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt
Novotechnik Messwertaufnehmer OHG
Franke GmbH
Heraeus AMLOY Technologies GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein Material, das seine Farbe je nach Temperatur und Dehnung ohne Zusatz von Pigmenten verändert. Biologisch abbaubare Sensoren und Displays werden so möglich.

Empa-Forschende haben das neuartige Material auf Basis von Cellulose-Nanofasern und Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt. Es wechselt die Farbe, wenn es sich erwärmt.(Bild: Empa)
Empa-Forschende haben das neuartige Material auf Basis von Cellulose-Nanofasern und Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt. Es wechselt die Farbe, wenn es sich erwärmt.
(Bild: Empa)

Mittels 3D-Druck biologisch abbaubare Sensoren und Displays herstellen – dieser Aufgabe widmeten sich Forschende aus dem Labor „Cellulose & Wood Materials“ der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa). Sie haben ein elastisches Material entwickelt, das seine Farbe verändert, Strom leitet, sich 3D-drucken lässt und dazu noch biologisch abbaubar ist.

Strukturelle Färbung durch HPC-Wasser-Gemisch erreicht

Als Ausgangsstoff diente den Forschenden Hydroxypropyl-Cellulose (HPC), die unter anderem als Hilfsstoff in Pharmazeutika, Kosmetikartikeln und Lebensmitteln eingesetzt wird. Eine Besonderheit von HPC ist, dass sie nach Zugabe von Wasser Flüssigkristalle bildet. Diese Flüssigkristalle haben eine bemerkenswerte Eigenschaft: Je nach Kristallstruktur – die unter anderem abhängig ist von der HPC-Konzentration – schillern sie in den unterschiedlichsten Farben – obwohl sie eigentlich farb- bzw. pigmentlos sind. Dieses Phänomen nennt sich strukturelle Färbung und ist aus der Natur bekannt: Pfauenfedern, Schmetterlingsflügel und die Haut des Chamäleons erhalten ihre bunte Färbung ganz oder teilweise nicht durch Farbstoffe, sondern durch mikroskopische Strukturen, die das einfallende Tageslicht in seine Spektralfarben zerlegen und nur bestimmte Wellenlängen – sprich: Farben – reflektieren.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen liefern die Leitfähigkeit

Die strukturelle Farbe von HPC verändert sich indes nicht nur mit der Konzentration, sondern auch mit der Temperatur. Um diese Eigenschaft besser ausnutzen zu können, setzten die Forschenden der Mischung aus HPC und Wasser noch 0.1 Massenprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu. Dies macht die Flüssigkeit elektrisch leitfähig und ermöglicht es den Forschenden, die Temperatur – und somit die Farbe der Flüssigkristalle – durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern. Bonus: Der Kohlenstoff fungiert als Breitbandabsorber, der die Farben intensiver macht.

Cellulose-Nanofasern machen Gemisch druckbar

Das Display besteht aus sieben leitfähigen Segmenten, die ihre Farbe durch Stromwärme verändern.(Bild: Empa)
Das Display besteht aus sieben leitfähigen Segmenten, die ihre Farbe durch Stromwärme verändern.
(Bild: Empa)

Mit einem weiteren Zusatz, eine kleine Menge an Cellulose-Nanofasern, gelang es dem Team außerdem, die Mischung 3D-druckbar zu machen, ohne Färbung und Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.

Mittels 3D-Druck stellten die Forscher unterschiedliche Anwendungsbeispiele aus der neuartigen Cellulosemischung her. Darunter etwa einen Dehnungssensor, der seine Farbe je nach mechanischer Verformung verändert, sowie ein einfaches Display aus sieben elektrisch gesteuerten Segmenten. In Zukunft könnte die Cellulose-basierte Tinte zahlreiche ganz unterschiedliche Anwendungen finden, etwa für Temperatur- und Verformungssensoren, zur Kontrolle der Lebensmittelqualität oder für die biomedizinische Diagnose.

Einen anderen Ansatz für 3D-druckbare Sensoren aus Strukturfarben haben Wissenschaftler der Universität des Saarlandes gewählt:

(ID:49600069)

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