Neue Materialien

Aktives Nanokomposit: Festes Material mit beweglichen Partikeln

Forscher des Leibniz-Institut für Neue Materialien haben Materialien mehr Dynamik verleihen wollen. Aus diesem Grund haben sie ein Nanokomposit entwickelt, das flüssigen Einschlüsse einer reaktiven Nanopartikel-Dispersion enthält.

Bei höherer Temperatur (links) verteilen sich die Nanopartikel in den Tröpfchen – das Material ist rubinrot; bei niedriger Temperatur (rechts) ballen sich zusammen – das Material wird Grau-Violett. © INM

In dem neu entwickelten „aktiven Nanokomposit" verbinden sich kleine Partikel oder trennen sich und ändern damit die Farbe des ganzen Materials. Dank der beweglichen Komponenten kann das transparente Material auf Temperaturveränderungen und zukünftig auch auf andere äußere Einflüsse, wie chemische Substanzen und Gifte, durch einen Farbwechsel „antworten“. Deshalb arbeiten die Forscher in absehbarer Zeit zum Beispiel daran, Folienverpackungen zu entwickeln, die ihre Farbe verändern, wenn Lebensmittel verdorben sind. Die Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Materials.

Wie bekommt man feste Partikel in einem festen Material dazu, sich zu bewegen? „In Stahl, Beton oder Kunststoff ist das selten erwünscht, denn freie Bewegung bedeutet eine potenzielle Schwachstelle im Material. Deshalb haben wir in unser aktives Nanokomposit abgekoppelte Teilbereiche eingebaut, in denen sich die Partikel bewegen können, während der Rest stabil bleibt“, erklärt Tobias Kraus, Leiter des Programmbereichs Strukturbildung am INM.

Dafür bediente sich das Forschungsteam eines Tricks: Wie Rosinen in einem Wackelpudding verteilten sie in einem Kunststoff feinste Flüssigkeits-Tröpfchen, in die sie die Gold-Nanopartikel einlagerten. So können sich die Nanopartikel innerhalb jedes Tropfens in der Flüssigkeit frei bewegen. Das wäre nicht möglich, wenn sie als Partikel direkt im Festkörper verteilt wären. „Diese Partikel können sich nun in den Tropfen entweder eng zusammenballen oder im gesamten Tropfen frei verteilen. Die Farbe der Partikel ändert sich abhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind, in unserem Fall zum Beispiel von Rubinrot nach Grau-Violett. Weil die Partikel sich wieder trennen können, ist die Farbänderung auch jeder Zeit umkehrbar“, erläutert Professor Kraus.

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Mit dem bloßen Auge sind weder die Tröpfchen, noch die Nanopartikel darin sichtbar. Das gesamte Komposit ist durchscheinend und eben je nach Temperatur unterschiedlich farbig. „Damit eignet sich diese Entwicklung gerade auch, wenn durchsichtige Materialien erforderlich sind. Wir können uns das Material auch sehr gut auf transparenten Folien vorstellen“, sagt der Materialwissenschaftler Kraus.

Während das Zusammenballen der Partikel zurzeit über die Temperatur gesteuert wird, wollen die Wissenschaftler diese Wirkung in Zukunft auch durch chemische Substanzen erreichen. „Dann könnte man zum Beispiel hohe Konzentrationen von Vitamin C oder aber auch von Giftstoffen für den Verbraucher direkt sichtbar machen“, wagt Kraus den Blick in die Zukunft.

Originalpublikation:
David Doblas Jiménez, Jonas Hubertus, Thomas Kister, Tobias Kraus, „A translucent nanocomposite with liquid inclusions of a responsive nanoparticle dispersion“; Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.201803159

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