Sensorik Wassersensoren aus dem 3D-Drucker

Ein internationales Forscherteam hat Sensoren entwickelt, die schon Kleinstmengen von Wasser detektieren und die per 3D-Druck hergestellt werden können.

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DESY Deutsches Elektronen- Synchrotron

Sensoren sind die Sinne der Maschinen – denn erst Sensoren geben ihnen die Möglichkeit, zu sehen, zu fühlen oder zu messen. Dementsprechend hoch ist der Bedarf nach Sensoren in vielen industriellen Anwendungen, aber auch auf den Gebieten wie Gesundheit, Lebensmittelsicherheit und Umweltschutz. Ein Einsatzgebiet ist der Nachweis bestimmter Stoffe, beispielsweise von Wasser. Dafür hat ein Forscherteam jetzt Sensoren entwickelt, die sich einfach und schnell ausdrucken lassen.

Sensor reagiert auf Wasser mit Farbänderung

Ein spanisch-israelisches Forscherteam, an dem auch das Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchroton (Desy) der Helmholtz-Gesellschaft beteiligt war, haben ein ausdruckbares Material entwickelt, das als vielseitiger und robuster Wasserdetektor eingesetzt werden kann. Der Stoff ist auf Polymerbasis und ist günstig, flexibel und ungiftig. Berührt der Stoff Wasser, verändert er seine Farbe von Violett zu Blau.

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„Es kann sehr wichtig sein zu wissen, wie viel Wasser in einer bestimmten Umgebung oder in einem Stoff vorhanden ist“, erläutert Desy-Forscher Michael Wharmby, Ko-Autor der Veröffentlichung. „Wenn ein Öl zum Beispiel zu viel Wasser enthält, schmiert es Maschinen möglicherweise nicht gut, und mit einem zu hohen Wasseranteil verbrennt Treibstoff nicht ordentlich.“

Der funktionale Teil des neuen Sensormaterials ist ein sogenanntes Koordinationspolymer auf Kupferbasis, eine organische Verbindung mit einem Wassermolekül, das an ein zentrales Kupferatom gebunden ist. „Wenn man die Verbindung auf 60 °C erhitzt, ändert sie ihre Farbe von Blau zu Violett“, berichtet Pilar Amo-Ocha von der Autonomen Universität Madrid und Leiterin des Forschungsteams. „Diese Änderung lässt sich rückgängig machen, indem man das Material an der Luft lässt, in Wasser taucht oder in eine Flüssigkeit mit Spuren von Wasser legt.“

Sensoren in verschiedenen Formen aus dem 3D-Drucker

Mit der energiereichen Röntgenstrahlung von Desys Forschungslichtquelle „Petra III“ konnte das Team beobachten, dass in den auf 60 °C erhitzten Proben die Wassermoleküle fehlten, die zuvor an die Kupferatome gebunden waren. Das führt zu einer umkehrbaren strukturellen Neuorganisation des Materials, wodurch es zu der Farbänderung kommt.

„Als wir das verstanden hatten, konnten wir auch die Physik dieser Veränderung modellieren“, erzählt Ko-Autor José Ignacio Martinez vom Institut für Werkstoffwissenschaften in Madrid. Die Forscher waren daraufhin in der Lage, die Kupferverbindung mit einem 3D-Druckermaterial zu mischen und Sensoren in verschiedenen Formen daraus zu drucken. Sie testen die gedruckten Sensoren in Luft und mit Flüssigkeiten, die unterschiedliche Anteile Wasser enthielten. Dabei zeigte sich, dass die gedruckten Sensoren sogar noch empfindlicher auf Wasser reagieren als das kupferbasierte Polymermaterial allein. Die Forscher schreiben das der Porosität des gedruckten Materials zu. In Flüssigkeiten schlug der gedruckte Sensor innerhalb von zwei Minuten bereits bei einem Wasseranteil von 0,3 Prozent bis 4 Prozent an. Zudem reagierte er noch auf eine relative Luftfeuchtigkeit von nur 7 Prozent.