Das Material spricht binnen weniger Millisekunden auf die Feuchtigkeitsänderung an
Dieses Verhalten ist prinzipiell bekannt und charakteristisch für sogenannte photonische Kristalle. Noch nie zuvor allerdings hatten Forscher eine so starke Farbänderung beobachtet wie jetzt in Stuttgart. „Die Farbe der Nanostruktur schlägt bei der Annäherung eines Fingers beispielsweise von Blau nach Rot um. Somit lässt sich die Farbe abhängig von der Menge des aufgenommenen Wasserdampfs durch das gesamte sichtbare Spektrum durchstimmen“, betont Bettina Lotsch.
Der neue Ansatz der Forscher besticht aber nicht nur durch seinen deutlichen Farbumschlag. Wichtig ist auch, dass das Material binnen weniger Millisekunden auf die Feuchtigkeitsänderung ansprach – und damit vergleichsweise schnell. Bei früher untersuchten Materialien waren Ansprechzeiten von etlichen Sekunden oder mehr üblich. Viel zu langsam also für den Einsatz in der Praxis. Und noch etwas kommt hinzu, das frühere Materialien nicht immer erfüllten: Die Sandwich-Struktur aus Antimon-Phosphat und den Oxid-Nanopartikeln erweist sich als chemisch äußerst stabil und spricht selektiv auf Wasserdampf an.
Eine Schutzschicht vor chemischen Einflüssen muss Feuchtigkeit passieren lassen
Die Forscher können sich ihre Materialien nicht nur in künftigen Generationen von Smartphones, Tablets oder Notebooks vorstellen. „Vielerorts wo Menschen derzeit Displays berühren müssen, um zu navigieren, sind schließlich auch berührungslos arbeitende Bildschirme denkbar“, so Bettina Lotsch. Etwa an Bank- oder Fahrkartenautomaten oder auch an der Gemüsewaage im Supermarkt. Gerade bei Displays im öffentlichen Raum, die von vielen Menschen genutzt werden, hätte eine berührungslose Variante klar hygienische Vorteile.
Bevor es zu solchen Einsätzen kommt, müssen die Wissenschaftler aber noch weitere Herausforderungen meistern. Wichtig ist zum Beispiel, dass sich die Nanostrukturen wirtschaftlich herstellen lassen. Um Verschleiß zu minimieren, müssten die Strukturen bei einer Verwendung etwa als Display noch mit einer Schutzschicht überzogen werden. Diese wiederum muss hinsichtlich der Anforderungen einen Spagat machen: Einerseits muss sie die feuchtigkeitsempfindlichen Schichten vor chemischen und mechanischen Einflüssen schützen. Zum anderen muss sie Feuchtigkeit natürlich passieren lassen. Die Stuttgarter Forscher haben dafür aber schon eine Idee. Mit einem Kooperationspartner wollen sie diese nun umsetzen: Inzwischen arbeiten sie gemeinsam mit dem Fraunhofer EMFT in München an der Realisierung eines Prototyps, der zusätzlich zur Farbkodierung auch einen elektronischen Auslesevorgang erlaubt.
Neues System besticht durch bislang unerreichte Empfindlichkeit und Reaktionszeiten
Kohlweißling – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft
Photonische Kristalle kommen in der Natur beispielsweise in Perlmutt oder den Farben von Schmetterlingsflügeln vor. Dem Team um Lotsch ist es gelungen, photonische Kristalle auf Basis von zweidimensionalen Antimonphosphaten als aktive Materialien zu entwickeln. Das neue Nanomaterial ist chemisch stabil, transparent und einfach herzustellen. Gegenüber anderen Sensoren auf Nanoschicht-Basis überzeugt der photonische Kristall durch kürzere Ansprechzeiten, eine deutlich höhere Empfindlichkeit und gute Langzeitstabilität. „Diese einmalige Kombination von Eigenschaften ermöglicht es, Fingerbewegungen farbkodiert in Echtzeit abzubilden“, sagt Pirmin Ganter aus der Arbeitsgruppe von Bettina Lotsch. Zudem ist das neue System luftstabil und damit nicht nur im Labor, sondern auch unter natürlichen Umweltbedingungen voll funktionsfähig. Die LMU- und MPI-Chemiker haben bereits ein Patent für ihre Neu-Entwicklung eingereicht.
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