Ein Gruppe internationaler Forscher hat einen vielseitigen und robusten 3D-gedruckten Sensor entwickelt, der kleinste Mengen an Wasser findet. Die Studie, an der Forscher der Autonomen Universität Madrid, der Hebräischen Universität Jerusalem, der Technischen Universität Nanyang in Singapur, des Instituts für Werkstoffwissenschaften in Madrid und Desy, kann man hier nachlesen. Der Sensor ist aus einem Material auf Polymerbasis, das günstig, flexibel und ungiftig ist. Wenn der Sensor Wasser berührt, verändert er seine Farbe.
Nutzen des Wassersensors
„Es kann sehr wichtig sein zu wissen, wie viel Wasser in einer bestimmten Umgebung oder in einem Stoff vorhanden ist“, erläutert Desy-Forscher Michael Wharmby, Ko-Autor der Veröffentlichung. „Wenn ein Öl zum Beispiel zu viel Wasser enthält, schmiert es Maschinen möglicherweise nicht gut, und mit einem zu hohen Wasseranteil verbrennt Treibstoff nicht ordentlich.“
Ein Teil des Sensormaterials besteht aus einem Koordinationspolymer auf Kupferbasis. Die organische Verbindung besteht aus einem Wassermolekül, das an ein zentrales Kupferatom gebunden ist.
„Erhitzt man diese auf 60 Grad, ändert sie ihre Farbe von Blau zu Violett“, erklärt die Leiterin des Forschungsteams Pilar Amo-Ocha von der Autonomen Universität Madrid. „Diese Änderung lässt sich rückgängig machen, indem man das Material an der Luft lässt, in Wasser taucht oder in eine Flüssigkeit mit Spuren von Wasser legt.“
Mit der Forschungslichtquelle „Petra III“ zeigte sich, dass in den Proben, die auf 60 Grad erhitzt waren, Wassermoleküle fehlten, die zuvor an die Kupferatome gebunden waren. Das Material strukturierte sich neu, wodurch sich die Farbe geändert hat. Die Forscher mischten das 3D-Druckermaterial mit der Kupferverbindung und druckten daraus die Sensoren in verschiedenen Formen. Die Sensoren wurden in Luft und mit Flüssigkeiten getestet, die unterschiedliche Anteile Wasser hatten.
Reaktion des Sensors auf Wasser
Die gedruckten Sensoren reagierten noch empfindlicher auf Wasser als das kupferbasierte Polymermaterial allein. Laut den Forschern lag dies an der Porösität des gedruckten Materials. Der 3D-gedruckte Sensor schlug in Flüssigkeiten innerhalb von zwei Minuten bereits bei einem Wasseranteil von 0,3 Prozent bis 4 Prozent an. Zusätzlich reagierte er auf eine relative Luftfeuchtigkeit von nur 7 Prozent.
Selbst über viele Erhitzungszyklen blieb das Material stabil und die kupferbasierten Polymere blieben gleichmäßig in den gedruckten Sensoren verteilt. An der Luft bleibt das Material mindestens ein Jahr lang stabil, auch bei biologisch relevanten pH-Werten von 5 bis 7. Das Konzept könnte genutzt werden, um weitere derartig funktionale Materialien zu entwickeln.
Sensoren, die Veränderungen im Wasser feststellen, hatte bereits das Start-Up Sensocore entwickelt. Zukünftig weitere Informationen zu diesem Thema bietet unser kostenloser 3D-Druck-Newsletter (hier abonnieren).
