04.07.2023 • Materialwissenschaften

Elastisches Material mit Chamäleon-Effekt

Gemisch aus Hydroxypropyl-Cellulose, Wasser, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Cellulose-Nanofasern verändert je nach Temperatur und Dehnung seine Farbe.

Ein elastisches Material, das seine Farbe verändert, Strom leitet, sich 3D-drucken lässt und dazu noch biologisch abbaubar ist? Das ist nicht länger nur eine Wunsch­vor­stellung: Forscher der Eid­ge­nös­sischen Material­prüfungs- und Forschungs­anstalt EMPA haben jetzt ein solches Material auf Basis von Cellulose und Kohlenstoff-Nano­röhrchen hergestellt. Als Ausgangs­stoff diente Hydroxypropyl-Cellulose, die unter anderem als Hilfsstoff in Pharmazeutika, Kosmetik­artikeln und Lebensmitteln eingesetzt wird.

Abb.: Bunte Cellulose: Das 3D-gedruckte Empa-Logo aus dem neu­artigen...
Abb.: Bunte Cellulose: Das 3D-gedruckte Empa-Logo aus dem neu­artigen HPC-Gemisch wechselt die Farbe, wenn es sich erwärmt. (Bild: EMPA)

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 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 aufspalten und nur bestimmte Wellen­längen reflek­tieren.

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 Forscher um Gustav Nyström der Mischung aus HPC und Wasser noch 0,1 Massen­prozent Kohlenstoff-Nano­röhrchen zu. Dies macht die Flüssigkeit elektrisch leitfähig und ermöglicht es den Forschern, 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. Mit einem weiteren Zusatz, eine kleine Menge an Cellulose-Nanofasern, gelang es Nyströms 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. „Wir haben in unserem Labor bereits unter­schied­liche elektronische Komponenten auf der Basis von Cellulose entwickelt, etwa Batterien und Sensoren“, sagt Team-Mitglied Xavier Aeby. „Das ist nun das erste Mal, dass wir auch ein Display auf Cellulose-Basis entwickeln konnten.“

In Zukunft könnte die cellulose­basierte Tinte zahlreiche ganz unter­schied­liche Anwendungen finden, etwa für Temperatur- und Verformungs­sensoren, zur Kontrolle der Lebensmittel­qualität oder für die bio­medi­zinische Diagnose. „Nach­haltige Materialien, die sich 3D-drucken lassen, sind von großem Interesse, unter anderem für Anwendungen in biologisch abbaubarer Elektronik und für das Internet der Dinge“, sagt Nyström. „Es gibt noch viele offene Fragen dazu, wie strukturelle Färbung überhaupt entsteht und wie sie sich durch unter­schied­liche Zusatzstoffe oder durch Umwelt­einflüsse verändern lässt.“ Dem will Nyström mit seinem Team weiter nachgehen in der Hoffnung, noch weitere interessante Phänomene und Anwendungs­möglich­keiten zu entdecken.

EMPA / RK

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