Sensorik Künstliche Opale messen Zeit und Temperatur

Redakteur: Peter Königsreuther

Bayreuther Forschende haben herausgefunden, dass sich künstlich hergestellte Opale als neuartige Sensoren einsetzen lassen. Hier erfahren Sie, was dahinter steckt.

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Marius Schöttle M.Sc. ist der Erstautor einer Studie über künstliche Opale als neuartige Sensoren, mit denen sich Temperatur und Zeit messen lassen. Hier sieht man den Bayreuther Forscher mit einem der künstlichen Kolloidkristalle.
Marius Schöttle M.Sc. ist der Erstautor einer Studie über künstliche Opale als neuartige Sensoren, mit denen sich Temperatur und Zeit messen lassen. Hier sieht man den Bayreuther Forscher mit einem der künstlichen Kolloidkristalle.
(Bild: UBT / LS Physikalische Chemie I)

Wegen ihres schillernden Farbenspiels in ihrem Inneren gelten Opale schon immer als besonders kostbare Edelsteine. Die Ursache dieses intrinsischen Feuers sind Nanostrukturen. Eine Forschungsgruppe um Prof. Dr. Markus Retsch von der Universität Bayreuth hat nach dem Vorbild dieser Strukturen nun künstliche Kolloidkristalle hergestellt, also Kristalle aus feinst verteilten Stoffen, die, wie sich herausgestellt hat, für den Bau neuartiger Sensoren eignen. Und bereits heute sollen sich für diese Sensorinnovation attraktive Anwendungsmöglichkeiten abzeichnen.

Fertig „programmierter“, nicht manipulierbarer Sensor

So sei es für den sicheren Betrieb moderner Hochleistungsbatterien sehr wichtig, dass sie über viele Betriebsstunden hinweg ausschließlich moderaten Temperaturen ausgesetzt würden. Schon kurzzeitig einwirkende, stark erhöhte Temperaturen können die Sicherheit und die Lebensdauer der Batterien nämlich gefährden. Mithilfe der neuen Kolloidkristall-Sensoren ließe sich aber leicht überwachen, ob auch gleichmäßige Umgebungstemperaturen bestehen. Denn ein solcher künstlicher Opal-Sensor ist wegen seiner Materialzusammensetzung bereits fertig programmiert, merkt Rentsch an. Er arbeitet autonom und kann nicht nachträglich manipuliert werden, betont sein Doktorand, Marius Schöttle M.Sc., der Erstautor eines Beitrags zu dem Thema.

Die Forschenden haben nach eigener Aussage damit einen Sensor entwickelt, der gleichzeitig auf Zeit und Temperatur sensitiv reagiert – und zwar ohne dass es dafür einer aufwendigen Elektronik oder spezieller Messgeräte bedarf. Darüber hinaus stellten die synthetisierten Kristalle auch noch eine neue Materialklasse dar, die für die Grundlagenforschung sehr interessant sei. Möglicherweise helfen die kolloidalen Gradienten dabei, grundlegend neuen physikalischen Phänomenen auf die Spur zu kommen, glaubt Rentsch.

Momentaufnahmen zweier Kolloidkristall-Gradienten unter dem Einfluss unterschiedlicher Temperaturen. Die Bilder zeigen den zeitlichen Verlauf des Farbverlusts der künstlichen Edelsteine. Das Verhalten kann genutzt werden, um Zeit und Temperatur zu messen.
Momentaufnahmen zweier Kolloidkristall-Gradienten unter dem Einfluss unterschiedlicher Temperaturen. Die Bilder zeigen den zeitlichen Verlauf des Farbverlusts der künstlichen Edelsteine. Das Verhalten kann genutzt werden, um Zeit und Temperatur zu messen.
(Bild: M. Schöttle)

Der Opal dient dem kolloidalen Gradienten als Vorbild

Opale, erklären die Experten, bestehen aus kugelförmigen Partikeln, die übergeordnete Nanostrukturen bilden. Wechselwirkungen dieser hochsymmetrischen Strukturen mit sichtbarem Licht lassen die Oberflächen in allen Regenbogenfarben schillern (genauso kommt übrigens auch das metallische Farbspiel bei Schmetterlingen oder an manchen Käfern zustande). In den letzten Jahren sind nun natürliche und künstliche Vertreter dieser Materialklasse immer besser erforscht worden, heißt es weiter. Und an der Universität Bayreuth ist man der Frage nachgegangen, ob sich nach ähnlichen Bauprinzipien, aber mit kontrollierten Mischungen unterschiedlicher Partikel, auch nanostrukturierte Materialien herstellen lassen, die technologisch gesehen attraktive Eigenschaften zeigen. Die Vision betraf nanostrukturierte Filme, deren physikalische Eigenschaften sich entlang einer Richtung graduell verändern – und zwar aufgrund eines Gradienten, der das Mischungsverhältnis zweier Partikelsorten definiert. Dafür haben die Forschenden einen experimentellen Aufbau entwickelt, der die Herstellung derartiger gradueller Kolloidkristalle ermöglicht.

Parallel dazu wurden im Labor zwei Sorten von Partikeln hergestellt, die sich nur in einem Punkt unterscheiden: Die daraus entstehenden Nanostrukturen lösen sich bei verschieden hohen Temperaturen auf. Und zwar so, dass die Oberflächen der Materialien ihre schillernden Farben für immer verlieren. Es bleibt nur eine farblose Filmschicht.

Aus Partikeln beider Sorten und auf der Basis des neuen experimentellen Aufbaus hat man nun Kolloidkristalle erzeugt. Der Aufbau der Kristalle ist jedes Mal gleich. Innerhalb jedes Kristalls nimmt der Anteil der Partikel, die ihre Strukturen bei höheren Temperaturen verlieren und insofern stabiler sind, nach einer Seite hin kontinuierlich zu (das ergibt den Gradienten). Durch vergleichende Untersuchungen stellte sich heraus, dass je größer der Anteil der stabileren Partikel ist, desto langsamer die Strukturauflösungen innerhalb des Kristalls verlaufen und desto langsamer schreitet auch der dadurch bedingte Farbverlust voran, wie die Bayreuther erklären.

Durch Anpassung zum Temperaturdokumentator

Diese Entdeckung hat das Bayreuther Team nun für ein Feintuning verschiedener Kolloidkristalle genutzt. Ein Kolloidkristall, in dem sich der Anteil an stabilen Partikeln graduell ändert, kann aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften die Funktion eines Sensors übernehmen. Folglich: Je höher die Temperatur während eines definierten Zeitraums ist, desto weiter breiten sich die Farbverluste auf dieser Oberfläche nach einer Richtung hin aus. Und je kürzer die Zeiträume während einer gleichbleibenden Temperatur sind, desto früher bricht dieser Prozess ab. Weil die Farbverluste in jedem Fall irreversibel sind, dokumentiert der Sensor also die Höhe der Umgebungstemperatur, die er erfährt, in Abhängigkeit von der Zeit.

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