Material-Innovation: Schweizer Forscher entwickeln Bio-Displays
Strukturelle Färbung. Dieses Phänomen sagt dir nichts? Schweizer Forscher haben auf dieser Basis ein neuartiges Material entwickelt, das besondere biologisch abbaubare Displays ermöglicht.
Wissenschaftler der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) stellen eine Innovation vor: ein biologisch abbaubares Display, das je nach Dehnung und Temperatur seine Farbe ändert. Es ist elastisch, leitet Strom und lässt sich 3D-drucken. Ein möglicher Meilenstein, aber wie funktioniert das?
Bestandteile und Funktionsweise
Als Ausgangsstoff dient den Forschern Hydroxypropyl-Cellulose (HPC). Dies wird unter anderem als Hilfsstoff in Pharmazeutika, Kosmetikartikeln und Lebensmitteln eingesetzt. Das Besondere daran: Nach Zugabe von Wasser bilden sich Flüssigkristalle, die je nach Struktur in den unterschiedlichsten Farben leuchten. Dabei sind sie eigentlich farb- beziehungsweise pigmentlos. Eine strukturelle Färbung setzt ein.
Nicht nur die Konzentration der Kristallstruktur, sondern auch die Temperatur spielt indes eine Rolle. Daher haben sich die Forscher entschieden, der Mischung aus HPC und Wasser noch 0.1 Massenprozent Kohlenstoff-Nanoröhrchen hinzuzugeben. Dies macht die Flüssigkeit elektrisch leitfähig. Außerdem ist es damit auch möglich, die Temperatur und damit die Farbe der Kristalle durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern. Eine kleine zusätzliche Menge an Cellulose-Nanofasern ermöglicht es zudem, die Mischung 3D-druckbar zu machen. Zu einer Beeinträchtigung der Färbung und Leitfähigkeit kommt es dadurch nicht.
Anwendungsbeispiele
«Wir haben in unserem Labor bereits unterschiedliche elektronische Komponenten auf der Basis von Cellulose entwickelt, etwa Batterien und Sensoren», sagt Xavier Aeby, einer der Forscher. Temperatur- und Verformungssensoren zur Kontrolle der Lebensmittelqualität oder für die biomedizinische Diagnose seien laut Empa konkrete Anwendungsbeispiele für die Cellulose-basierte Tinte. «Das ist nun das erste Mal, dass wir auch ein Display auf Cellulose-Basis entwickeln konnten.» Die Herstellung der Anwendungsbeispiele erfolgte mittels 3D-Druck. «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 Laborleiter Gustav Nyström.
Darüber hinaus seien noch viele offene Fragen zu klären: zur Entstehung der strukturellen Färbung, die Wirkung unterschiedlicher Zusatzstoffe oder Umwelteinflüsse auf dieses Phänomen. Nyströms Team werde diesen Themen weiter nachgehen, um noch weitere interessante Phänomene und Anwendungsmöglichkeiten zu entdecken.
Vergleichbare Forschung
In der Vergangenheit hatte bereits ein Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein biologisch abbaubares Display entwickelt. Es besteht aus einem organischen Polymer (PEDOT:PSS), Gold und einem Elektrolyt auf Gelatinebasis und kann ebenso durch das Anlegen einer Spannung seine Farbe verändern. Das Display wird mit einem Tintenstrahldrucker hergestellt und anschließend mit Gelatine umhüllt. Durch diese Versiegelung wird es adhäsiv und anpassungsfähig. Zudem lässt es sich dadurch auf verschiedenen Körperstellen direkt auf der Haut tragen.
In der Fachzeitschrift Journal of Materials Chemistry haben die Forscher ihre Erkenntnisse näher vorgestellt.
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