Новый универсальный датчик из пластикового композита может обнаруживать крошечные количества воды. Материал для 3D-печати, разработанный испано-израильской командой ученых, дешев, гибок и нетоксичен, а во влажных условиях меняет свой цвет с фиолетового на синий. Исследователи под руководством Пилар Амо-Очоа из Автономного университета Мадрида (UAM) использовали источник рентгеновского излучения DESY PETRA III, чтобы понять структурные изменения в материале, которые вызываются водой и приводят к наблюдаемому изменению цвета. Разработка открывает двери для создания семейства новых функциональных материалов для 3D-печати, как пишут ученые в журнале Advanced Functional Materials.
Во многих областях, от здравоохранения до контроля качества пищевых продуктов, мониторинга окружающей среды и технических приложений, растет спрос на чувствительные датчики, которые показывают быстрые и простые изменения в присутствии определенных молекул. Вода является одним из наиболее распространенных химических веществ, подлежащих мониторингу. «Понимание того, сколько воды присутствует в определенной среде или материале, важно», - объясняет ученый из DESY Майкл Уормби, соавтор статьи и руководитель лучевой линии P02.1, где материал сенсора был исследован с помощью рентгеновских лучей. «Например, если в масле слишком много воды, они могут плохо смазывать машины, а если в топливе слишком много воды, оно может не гореть должным образом».
Функциональной частью нового сенсорного материала ученых является так называемый координационный полимер на основе меди, соединение с молекулой воды, связанной с центральным атомом меди.«При нагревании соединения до 60 градусов Цельсия оно меняет цвет с синего на фиолетовый», - сообщает Пилар Амо-Очоа. «Это изменение можно обратить вспять, оставив его на воздухе, поместив в воду или поместив в растворитель со следовыми количествами воды». Используя высокоэнергетическое рентгеновское излучение от исследовательского источника света DESY PETRA III на экспериментальной станции P02.1, ученые смогли увидеть, что в образце, нагретом до 60 градусов Цельсия, молекула воды, связанная с атомами меди, была удалена. Это приводит к обратимой структурной перестройке материала, что и является причиной изменения цвета.
«Поняв это, мы смогли смоделировать физику этого изменения», - объясняет соавтор Хосе Игнасио Мартинес из Института материаловедения в Мадриде (ICMM-CSIC). Затем ученые смогли смешать соединение меди с краской для 3D-печати и напечатать датчики в нескольких различных формах, которые они протестировали на воздухе и с растворителями, содержащими разное количество воды. Эти тесты показали, что печатные объекты даже более чувствительны к присутствию воды, чем само соединение, благодаря своей пористой природе. В растворителях напечатанные датчики уже могли обнаруживать от 0,3 до 4 процентов воды менее чем за две минуты. В воздухе они могли обнаружить относительную влажность 7 процентов.
Если его высушить в безводном растворителе или при нагревании, материал снова станет фиолетовым. Детальное исследование показало, что материал стабилен даже в течение многих циклов нагревания, а соединения меди равномерно распределены по печатным датчикам. Кроме того, материал стабилен на воздухе в течение как минимум одного года, а также в биологически важных диапазонах pH от 5 до 7. «Кроме того, высокая универсальность современной 3D-печати означает, что эти устройства можно использовать в огромном количестве различных мест. », - подчеркивает соавтор Шломо Магдасси из Еврейского университета в Иерусалиме. Он добавляет, что эту концепцию можно использовать и для разработки других функциональных материалов.
«Эта работа демонстрирует первые 3D-печатные композитные объекты, созданные из непористого координационного полимера», - говорит соавтор Феликс Замора из Автономного университета Мадрида. «Это открывает двери для использования этого большого семейства соединений, которые легко синтезировать и которые обладают интересными магнитными, проводящими и оптическими свойствами, в области функциональной 3D-печати».