Potenzial für die Entwicklung biologisch abbaubarer Sensoren und Displays: Forscher haben ein Material aus dem Naturstoff Cellulose entwickelt, das Strom leitet und durch Erwärmung oder Dehnung seine Farbe verändern kann. Außerdem lässt es sich als Tinte für den 3D-Druck einsetzen. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten sehen die Wissenschaftler beispielsweise für Temperatur- und Verformungssensoren, zur Kontrolle der Lebensmittelqualität oder für die biomedizinische Diagnose.
Künstlich, schwer abbaubar und teilweise gesundheitsschädlich: Viele Materialien der menschlichen Technik besitzen bekanntlich problematische Eigenschaften. Die „Technik der Natur“ ist hingegen vorwiegend von nachhaltigen, harmlosen und biologisch abbaubaren Substanzen geprägt. Der häufigste Naturstoff ist dabei die Cellulose. Diese komplexe Vielfachzucker-Verbindung (Polysaccharid) ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und unter anderem für die Festigkeit von Fasern oder Holz verantwortlich. Schon lange macht sich der Mensch dieses Material auf traditionelle Weise als Bau- oder Rohstoff zunutze.
Natürliches technisch nutzbar gemacht
Das interdisziplinäre Forscherteam „Cellulose & Wood Materials“ von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf lotet hingegen das Potenzial des Naturstoffes für die moderne Technik aus. Dabei können sie bereits buchstäblich spannende Erfolge vorweisen: „Wir haben in unserem Labor schon unterschiedliche elektronische Komponenten auf der Basis von Cellulose entwickelt – etwa Batterien und Sensoren. Jetzt konnten wir erstmals auch ein Display auf Cellulose-Basis entwickeln“, sagt Team-Mitglied Xavier Aeby. Wie die Empa berichtet, diente den Wissenschaftlern bei diesem Projekt ein Derivat des Biomoleküls als Ausgangsstoff. Die sogenannte Hydroxypropyl-Cellulose (HPC) besitzt durch strukturelle Besonderheiten spezielle Merkmale, bleibt aber dennoch harmlos: HPC wird unter anderem in Medikamenten, Kosmetikartikeln und Lebensmitteln eingesetzt.
Einstellbare Strukturfarben
Die Forscher haben sich nun zunutze gemacht, dass HPC in Wasser Flüssigkristalle ausbildet. Andere Versionen solcher Strukturen kommen bekanntlich bereits in LCD-Bildschirmen zum Einsatz. Wie die Forscher erklären, besitzen auch die Hydroxypropyl-Cellulose-Flüssigkristalle interessantes Potenzial: Je nach Kristallstruktur, die unter anderem abhängig ist von der HPC-Konzentration, schillern sie in unterschiedlichen Farben. Dies beruht nicht auf Farbpigmenten, sondern auf dem Effekt der sogenannten strukturellen Färbung. Dabei spalten mikroskopische Strukturen das einfallende Licht in Spektralfarben auf und bringen bestimmte Wellenlängen zum Vorschein. Dieser Effekt ruft beispielsweise auch die schillernden Farbphänomene bei einigen Vogelfedern oder Schmetterlingsflügeln hervor.
Das Team machte sich bei der Entwicklung außerdem zunutze, dass die Farbe von HPC neben der Konzentration auch von strukturellen Wirkungen durch Dehnung und Temperaturveränderungen beeinflusst wird. Um dies steuern zu können, fügten die Forscher der Mischung aus HPC und Wasser noch 0,1 Massenprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen hinzu. Wie sie erklären, wird die Substanz dadurch elektrisch leitfähig, wodurch sie durch das Anlegen von Spannung erwärmt werden kann. Auf diese Weise lässt sich dann die Farbe der Flüssigkristalle einstellen. Der Kohlenstoff sorgte sogar noch für einen günstigen Zusatzeffekt: Die Farben leuchteten intensiver, stellte das Team fest. Mit einem weiteren Zusatz konnten die Wissenschaftler dann die Merkmale der Flüssigkeit so weit optimieren, dass sie sich auch für den Einsatz in 3D-Druckern eignet: Eine kleine Menge an Cellulose-Nanofasern führte zu einer günstigen Konsistenz, ohne Färbung und Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.
Vielversprechendes Potenzial
Das Team sieht nun erhebliches Potenzial in dem Konzept. Zur Demonstration stellten sie bereits unterschiedliche Anwendungsbeispiele aus der neuartigen Cellulose-Mischung her. Darunter etwa einen Dehnungssensor, der seine Farbe je nach mechanischer Verformung verändert, und ein Element, das sich etwa bei der Erwärmung durch Hautkontakt verfärbt. Auch das Potenzial für biologisch abbaubare Elektronik-Einheiten zeigten sie auf: Sie bauten ein einfaches Display aus sieben leitfähigen Segmenten, die ihre Farbe durch Stromwärme verändern. Es zeichnen sich somit verschiedene Einsatzmöglichkeiten für das Cellulose-basierte Gemisch ab, sind die Forscher überzeugt: etwa für Temperatur- und Verformungssensoren, zur Kontrolle der Lebensmittelqualität oder für die biomedizinische Diagnose.
“Nachhaltige Materialien, sind von großem Interesse”, betont Laborleiter Gustav Nyström von der Empa. Wie die Wissenschaftler betonen, stehen sie mit der Entwicklung des Konzepts allerdings erst am Anfang: “Es gibt noch viele offene Fragen dazu, wie die strukturellen Färbungen überhaupt entstehen und wie sie sich durch unterschiedliche Zusatzstoffe oder durch Umwelteinflüsse verändern lassen”, sagt Nyström. Durch ihre weitere Arbeit hoffen er und seine Kollegen, noch mehr interessante Phänomene und Anwendungsmöglichkeiten aufdecken zu können.
Quelle: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
Scharfblick in Highspeed
