Wissenschaftler entwickeln Material, das die Temperatur von Nanoobjekten aushält

Wissenschaftler der University of California in Irvine haben ein eindimensionales Nanomaterial entdeckt, dessen Farbe sich bei Temperaturänderungen ändert. Die Ergebnisse des Teams erscheinen In Fortschrittliche Materialien.

„Wir haben herausgefunden, dass wir wirklich kleine und empfindliche Thermometer herstellen können“, sagte Maxx Arguilla, Chemieprofessor an der UC Irvine, dessen Forschungsgruppe die Studie leitete. „Es ist eine der anwendungsorientiertesten und übertragbarsten Arbeiten aus unserem Labor.“

Arguilla verglich die Thermometer mit „Stimmungsringen im Nanomaßstab“ und meinte damit Schmuck, der je nach Körpertemperatur des Trägers seine Farbe ändert. Doch anstatt einfach eine qualitative Temperaturmessung vorzunehmen, können die Farbänderungen dieser Materialien „kalibriert und verwendet werden, um optisch Temperaturmessungen im Nanomaßstab vorzunehmen“, sagte Arguilla.

„Die Notwendigkeit, die Temperatur zu messen, ist wichtig, weil viele biologische und industrielle Prozesse von der Verfolgung winziger Temperaturänderungen abhängen“, fügte er hinzu. „Vielleicht haben wir jetzt Thermometer, die wir in die Zellen stecken könnten.“

Laut Dmitri Cordova, einem Postdoktoranden in Arguillas Gruppe, können die optischen Thermometer möglicherweise auch die Temperaturen messen und die Effizienz von Mikro- und Nanoelektronik, einschließlich Schaltkreisen und Datenspeichergeräten, bewerten. In der Industrie gibt es bereits optische Thermometer, die sie bei der Herstellung von Computerkomponenten verwenden, aber das neue Material des Teams sei „um mindestens eine Größenordnung empfindlicher“, sagte Cordova.

Der Durchbruch gelang, als Cordova und seine Kollegen in ihrem Labor Kristalle züchteten, die auf einer Nanometer-Skala spiralförmigen „Slinkies“ ähnelten. Sie züchteten die Kristalle zunächst, um sie Hitzestress auszusetzen und zu sehen, bei welcher Temperatur die Kristalle zerfallen.

Cordova und dem Studenten Leo Cheng fiel auf, dass sich die Farbe der Kristalle je nach Temperatur systematisch von Gelb nach Orange verschob.

Anschließend nahm das Team genaue Messungen des Temperaturbereichs vor, dem die Farben entsprachen, und fand heraus, dass hellgelbe Farbtöne Temperaturen um -190 Grad Celsius entsprachen, während rot-orange Farbtöne Temperaturen um 200 Grad Celsius entsprachen.

„Wir haben große Anstrengungen unternommen, um sicherzustellen, dass die Messungen präzise sind“, sagte Arguilla.

Um Nanoproben des Materials zu entnehmen, klebte das Labor ein Stück Klebeband auf große Kristalle, zog es wieder ab und übertrug die auf dem Klebeband haftenden Nanoproben auf transparente Substrate.

„Wir können diese Strukturen abziehen und sie als Nanothermometer verwenden, die übertragen, neu konfiguriert und mit anderen Materialien oder Oberflächen gekoppelt werden können“, sagte Arguilla.

Arguilla erklärte, dass die Entdeckung der erste Schritt zur Erforschung neuer Materialklassen zur Temperaturmessung im Nanometerbereich sei.

Als nächstes will sein Labor andere Materialien im Nanomaßstab testen, um zu sehen, ob sich Thermometer entwickeln lassen, die einen größeren Temperaturbereich messen können.

„Wir versuchen jetzt, die Regeln des Materialdesigns zu umgehen, um noch empfindlichere Materialien herzustellen“, sagte Arguilla. „Wir versuchen, den Werkzeugkasten für optische Thermometrie von der Massenskala bis hinunter zur Nanoskala zu öffnen.“

Zu den Co-Autoren gehören Yinong Zhou, Griffin M. Milligan, Leo Cheng, Tyler Kerr, Joseph Ziller und Ruqian Wu.