Forscher stellen 3D-gedrucktes, biologisch abbaubares, farbveränderndes leitfähiges Material aus Zellulose her

Ein elastisches Material, das seine Farbe ändert, Strom leitet, 3D-gedruckt werden kann und zudem biologisch abbaubar ist? Das ist kein wissenschaftliches Wunschdenken: Empa-Forschende vom Labor Cellulose & Wood Materials in Dübendorf haben auf Basis von Cellulose und Kohlenstoff-Nanoröhren ein Material mit genau diesen Eigenschaften hergestellt. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Materialtechnologien.

Die Forscher begannen mit Hydroxypropylcellulose (HPC), die häufig als Hilfsstoff unter anderem in Arzneimitteln, Kosmetika und Lebensmitteln verwendet wird. Es ist bekannt, dass HPC beim Mischen mit Wasser Flüssigkristalle bildet. Diese Kristalle haben eine bemerkenswerte Eigenschaft: Abhängig von ihrer Struktur – die wiederum unter anderem von der Konzentration des HPC abhängt – schimmern sie in unterschiedlichen Farben, obwohl sie selbst weder Farbe noch Pigment haben.

Dieses Phänomen wird Strukturfärbung genannt und kommt bekanntermaßen in der Natur vor: Pfauenfedern, Schmetterlingsflügel und Chamäleonhaut erhalten ihre brillante Färbung ganz oder teilweise nicht durch Pigmente, sondern durch mikroskopische Strukturen, die das (weiße) Tageslicht in Spektralfarben „aufspalten“. und reflektieren nur die Wellenlängen für bestimmte Farben.

Die Strukturfärbung von HPC ändert sich nicht nur mit der Konzentration, sondern auch mit der Temperatur. Um diese Eigenschaft besser auszunutzen, fügten die Forscher um Gustav Nyström der Mischung aus HPC und Wasser 0,1 Gewichtsprozent Kohlenstoffnanoröhren hinzu. Dadurch wird die Flüssigkeit elektrisch leitfähig und die Temperatur und damit die Farbe der Flüssigkristalle lässt sich durch Anlegen einer Spannung steuern.

Als zusätzlicher Bonus wirkt der Kohlenstoff als Breitbandabsorber, der die Farben tiefer macht. Durch die Einarbeitung einer kleinen Menge Zellulose-Nanofasern in die Mischung konnte Nyströms Team sie auch 3D-druckbar machen, ohne die Strukturfärbung und die elektrische Leitfähigkeit zu beeinträchtigen.

Nachhaltige Sensoren und Displays

Die Forscher nutzten die neuartige Zellulosemischung, um verschiedene potenzielle Anwendungen der neuen Technologie in 3D zu drucken. Dazu gehörten ein Dehnungssensor, der als Reaktion auf mechanische Verformung seine Farbe ändert, und eine einfache Sieben-Segment-Anzeige.

„Unser Labor hat bereits verschiedene elektronische Einwegkomponenten auf Zellulosebasis entwickelt, etwa Batterien und Sensoren“, sagt Xavier Aeby, Co-Autor der Studie. „Dies ist das erste Mal, dass wir ein Display auf Zellulosebasis entwickeln konnten.“

In Zukunft könnte die auf Zellulose basierende Tinte noch viele weitere Anwendungen finden, beispielsweise als Temperatur- und Dehnungssensoren, in der Lebensmittelqualitätskontrolle oder in der biomedizinischen Diagnostik. „Nachhaltige Materialien, die in 3D gedruckt werden können, sind von großem Interesse, insbesondere für Anwendungen in der biologisch abbaubaren Elektronik und im Internet der Dinge“, sagt Nyström, Leiterin des Labors.

„Es gibt noch viele offene Fragen darüber, wie Strukturfärbungen entstehen und wie sie sich mit unterschiedlichen Zusatzstoffen und Umgebungsbedingungen verändern.“ Nyström und sein Team wollen diese Arbeit fortsetzen, in der Hoffnung, viele weitere interessante Phänomene und mögliche Anwendungen zu entdecken.