Una nuova, versatile sensore in plastica-composito in grado di rilevare piccole quantità di acqua. Il materiale stampabile in 3D, sviluppato da un team di scienziati ispano-israeliani, é economico, flessibile e non tossico e cambia il suo colore dal viola al blu in condizioni di bagnato. I ricercatori, guidato da Pilar Amo-Ochoa dell'Università Autonoma di Madrid (UAM), ha utilizzato la sorgente di luce a raggi X PETRA III di DESY per comprendere i cambiamenti strutturali all'interno del materiale che sono innescati dall'acqua e portano al cambiamento di colore osservato. Lo sviluppo apre le porte alla generazione di una famiglia di nuovi materiali funzionali stampabili in 3D. Lo studio è pubblicato su Materiali funzionali avanzati .

In molti campi, compresa la salute, controllo della qualità degli alimenti, monitoraggio ambientale e applicazioni tecniche, c'è una crescente domanda di sensori reattivi che mostrino cambiamenti rapidi e semplici in presenza di molecole specifiche, e i sensori dell'acqua sono tra i più utilizzati. "Capire quanta acqua è presente in un determinato ambiente o materiale è importante, " spiega lo scienziato di DESY Michael Wharmby, co-autore dell'articolo e responsabile della linea di luce P02.1 in cui il materiale del sensore è stato esaminato con i raggi X. "Per esempio, se c'è troppa acqua nell'olio, potrebbe non lubrificare bene le macchine, e se c'è troppa acqua nel carburante, potrebbe non bruciare correttamente."

La parte funzionale del nuovo materiale del sensore degli scienziati è un polimero di coordinazione a base di rame, un composto con una molecola d'acqua legata a un atomo di rame centrale. "Scaldando il composto a 60 gradi Celsius, cambia colore dal blu al viola, " dice Pilar Amo-Ochoa. "Questo cambiamento può essere invertito lasciandolo in aria, mettendolo in acqua, o mettendolo in un solvente con tracce di acqua al suo interno." Utilizzando i raggi X ad alta energia dalla sorgente di luce di ricerca PETRA III di DESY presso la stazione sperimentale P02.1, gli scienziati hanno osservato che nel campione riscaldato a 60 gradi Celsius, la molecola d'acqua legata agli atomi di rame era stata rimossa. Questo porta ad una riorganizzazione strutturale reversibile del materiale, che è la causa del cambiamento di colore.

"Avendo capito questo, siamo stati in grado di modellare la fisica di questo cambiamento, " spiega il coautore José Ignacio Martínez dell'Istituto per la scienza dei materiali di Madrid (ICMM-CSIC). Gli scienziati sono stati quindi in grado di mescolare il composto di rame in un inchiostro da stampa 3D e hanno stampato sensori in diverse forme che hanno testato in aria e con solventi contenenti diverse quantità di acqua.Questi test hanno dimostrato che gli oggetti stampati sono ancora più sensibili alla presenza di acqua rispetto al composto da solo, grazie alla loro natura porosa. Nei solventi, i sensori stampati potevano già rilevare dallo 0,3 al 4% di acqua in meno di due minuti. In aria, potrebbero rilevare un'umidità relativa del 7%.

Se è essiccato, in un solvente senza acqua o per riscaldamento, il materiale torna viola. Un'indagine dettagliata ha mostrato che il materiale è stabile anche su molti cicli di riscaldamento, e i composti di rame sono distribuiti uniformemente in tutti i sensori stampati. Anche, il materiale è stabile all'aria per almeno un anno e anche a valori di pH biologicamente rilevanti compresi tra 5 e 7. "Inoltre, la natura altamente versatile della moderna stampa 3D significa che questi dispositivi potrebbero essere utilizzati in una vasta gamma di luoghi diversi, " sottolinea il coautore Shlomo Magdassi dell'Università Ebraica di Gerusalemme. Aggiunge che il concetto potrebbe essere utilizzato anche per sviluppare altri materiali funzionali.

"Questo lavoro mostra i primi oggetti compositi stampati in 3D creati da un polimero di coordinazione non poroso, ", afferma il coautore Félix Zamora dell'Università Autonoma di Madrid. "Apre le porte all'uso di questa grande famiglia di composti facili da sintetizzare e che presentano interessanti effetti magnetici, proprietà conduttive e ottiche, nel campo della stampa 3D funzionale."