Во многих областях, от здравоохранения до контроля качества пищевых продуктов, мониторинга окружающей среды и технических приложений, растет спрос на чувствительные датчики, которые показывают быстрые и простые изменения в присутствии определенных молекул. Вода – одно из самых распространенных химикатов, за которыми необходимо следить. «Понимание того, сколько воды присутствует в определенной среде или материале, важно», – объясняет ученый DESY Майкл Вармби, соавтор статьи и руководитель направления P02.1, где материал сенсора исследовался с помощью рентгеновских лучей. «Например, если в масле слишком много воды, они могут плохо смазывать машины, а при слишком большом количестве воды в топливе оно может не сгореть должным образом."
Функциональная часть нового сенсорного материала ученых представляет собой так называемый координационный полимер на основе меди, соединение с молекулой воды, связанной с центральным атомом меди. «При нагревании смеси до 60 градусов Цельсия он меняет цвет с синего на фиолетовый», – сообщает Пилар Амо-Очоа. "Это изменение можно обратить вспять, оставив его на воздухе, погрузив в воду или погрузив в растворитель со следовыми количествами воды."Использование высокоэнергетического рентгеновского излучения от исследовательского источника света DESY PETRA III на экспериментальной станции P02.1, ученые смогли увидеть, что в образце, нагретом до 60 градусов Цельсия, молекула воды, связанная с атомами меди, была удалена. Это приводит к обратимой структурной перестройке материала, что и является причиной изменения цвета.
«Поняв это, мы смогли смоделировать физику этого изменения», – объясняет соавтор Хосе Игнасио Мартинес из Института материаловедения в Мадриде (ICMM-CSIC).
Затем ученые смогли смешать соединение меди с краской для 3D-печати и напечатать датчики нескольких различных форм, которые они протестировали на воздухе и с растворителями, содержащими разное количество воды. Эти тесты показали, что напечатанные объекты даже более чувствительны к присутствию воды, чем компаунд сам по себе, благодаря своей пористой природе.
В растворителях напечатанные датчики уже могли обнаружить 0.От 3 до 4 процентов воды менее чем за две минуты. В воздухе они могли определить относительную влажность 7%.
Если его высушить, либо в безводном растворителе, либо при нагревании, материал снова станет пурпурным. Детальное исследование показало, что материал стабилен даже в течение многих циклов нагрева, а соединения меди равномерно распределены по печатным датчикам.
Кроме того, материал стабилен на воздухе не менее одного года, а также при биологически значимых значениях pH от 5 до 7. «Кроме того, универсальный характер современной 3D-печати означает, что эти устройства можно использовать в самых разных местах», – подчеркивает соавтор Шломо Магдасси из Еврейского университета в Иерусалиме. Он добавляет, что эту концепцию можно использовать и для разработки других функциональных материалов.
«В этой работе показаны первые композитные объекты, напечатанные на 3D-принтере, созданные из непористого координационного полимера», – говорит соавтор Феликс Замора из Автономного университета Мадрида. "Это открывает дверь к использованию этого большого семейства соединений, которые легко синтезировать и демонстрируют интересные магнитные, проводящие и оптические свойства, в области функциональной 3D-печати."