A causa dei loro colori iridescenti, gli opali sono stati considerati gemme particolarmente preziose fin dall'antichità. Il modo in cui queste pietre luccicano è causato dalle loro nanostrutture. Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Dr. Markus Retsch presso l'Università di Bayreuth ha prodotto cristalli colloidali che imitano tali strutture, adatti alla costruzione di nuove tipologie di sensori. Questi sensori documentano in modo visibile e continuo la temperatura nel loro ambiente durante un periodo definito. Loro sono, perciò, su misura per un monitoraggio permanente dei processi sensibili alla temperatura. Gli scienziati hanno presentato la loro scoperta sulla rivista Materiale avanzato .

Sono già in vista interessanti applicazioni per questo nuovo tipo di sensori. "Per il funzionamento sicuro delle moderne batterie ad alte prestazioni, è importante che siano esposti solo a temperature moderate per molte ore di funzionamento. I picchi di temperatura a breve termine possono mettere a rischio la sicurezza e la durata delle batterie. Con l'aiuto dei nuovi sensori, il rispetto di temperature ambiente uniformi può essere monitorato in modo affidabile. Inoltre, il sensore è già preprogrammato per la sua composizione materiale:funziona in modo autonomo e non può essere manipolato successivamente, " dice il ricercatore di dottorato Marius Schöttle (M.Sc.), autore principale della nuova pubblicazione. Prof. Dr. Markus Retsch, Cattedra di Chimica Fisica I e coordinatore del nuovo studio, aggiunge:"Abbiamo sviluppato un sensore sensibile al tempo e alla temperatura, senza la necessità di componenti elettronici complessi o dispositivi di misurazione speciali. Inoltre, i cristalli artificiali che abbiamo sintetizzato rappresentano una nuova classe di materiali molto interessanti per la ricerca fondamentale. È possibile che questi gradienti colloidali ci aiutino a rintracciare fenomeni fisici prima inaccessibili».

Cristalli colloidali graduali derivati ​​da opali naturali

Gli opali sono costituiti da particelle sferiche che formano nanostrutture sovraordinate. Le interazioni di queste strutture altamente simmetriche con la luce visibile fanno brillare le superfici nei colori più diversi. Lo stesso vale per le ali delle farfalle o di alcuni coleotteri. Negli ultimi anni, rappresentanti naturali e artificiali di questa classe di materiali sono stati sempre più studiati. All'Università di Bayreuth, il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Dr. Markus Retsch ha ora studiato se i materiali nanostrutturati possono essere prodotti utilizzando questo principio costruttivo ma con una variazione controllata delle miscele di diverse particelle, che hanno proprietà tecnologicamente attraenti. La visione era quella di realizzare film nanostrutturati che cambiano gradualmente le loro proprietà fisiche lungo una certa direzione. Questo comportamento graduale unico potrebbe essere ottenuto semplicemente variando la composizione di una miscela di particelle binarie. Per questo scopo, i ricercatori hanno sviluppato una configurazione sperimentale che consente la preparazione di tali cristalli colloidali graduali comprendenti due tipi di particelle distinte.

In laboratorio sono stati prodotti due tipi di particelle che differivano in un solo aspetto:le loro nanostrutture risultanti si fondono a temperature diverse in modo che le superfici dei materiali perdano irrimediabilmente i loro colori iridescenti. Parlando tecnicamente, questo processo di sinterizzazione a secco irreversibile crea uno strato di pellicola incolore. I ricercatori hanno creato cristalli colloidali da entrambi i tipi di particelle e hanno utilizzato la loro tecnica di fabbricazione del gradiente di nuova concezione. La struttura dei cristalli risultanti è sempre la stessa:all'interno di ogni cristallo, la proporzione di particelle che perdono la loro struttura a temperature più elevate e sono quindi più stabili aumenta continuamente verso un lato. Studi comparativi hanno dimostrato che una percentuale maggiore di particelle più stabili provoca una degradazione strutturale più lenta all'interno del cristallo e ritarda la conseguente perdita di colore.

Cristalli perfezionati come sensori ottici

Il team di Bayreuth ha ora utilizzato questa scoperta per mettere a punto vari cristalli colloidali. Un cristallo colloidale in cui la proporzione di particelle stabili cambia gradualmente assume ora la funzione di sensore:maggiore è la temperatura durante un periodo definito, più la perdita di colore si diffonde lungo la direzione del gradiente. Più brevi sono i periodi a temperatura costante, prima questo processo si interrompe. Poiché le perdite di colore sono comunque irreversibili, il sensore documenta il livello di una temperatura ambiente in funzione del tempo.