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基于梯度胶体晶体的时间-温度积分光学传感器

由于其彩虹色,蛋白石自古以来就被认为是特别珍贵的宝石。这些石头闪烁的方式是由它们的纳米结构引起的。拜罗伊特大学Markus Retsch教授领导的一个研究小组生产了类似于这种结构的胶体晶体,这些晶体适合构建新型传感器。这些传感器可在规定的时间内,以可视的方式连续记录其环境中的温度。因此,它们是为温度敏感过程的永久监控量身定制的。科学家们在《先进材料》杂志上发表了他们的发现。

这种新型传感器已经有了诱人的应用前景。“为了现代高性能电池的安全运行,重要的是它们必须在中等温度下工作数小时。短期温度峰值可能会危及电池的安全和使用寿命。借助新的传感器,可以监测是否符合均匀的环境温度。”此外,由于材料成分的原因,传感器已经被预先编程:它是自动工作的,之后不能被操作,”博士研究人员、新出版物的主要作者马吕斯·舍特尔(M.Sc.)说。物理化学I主席兼新研究协调员Markus Retsch教授补充道:“我们开发了一种对时间和温度敏感的传感器,无需复杂的电子设备或特殊的测量设备。此外,我们合成的人造晶体代表了一类新的材料,对基础研究来说非常有趣。这些胶体梯度可能有助于我们追踪以前不可观测的物理现象。”

从天然蛋白石中提取的渐变胶体晶体

蛋白石由球形颗粒组成,形成高级纳米结构。这些高度对称的结构与可见光的相互作用使其表面发出多种颜色的微光。蝴蝶或某些甲虫的翅膀也是如此。近年来,这类材料的天然和人工代表物h在拜罗伊特大学,由Markus Retsch教授领导的研究小组已经研究了纳米结构材料是否可以用这种结构原理生产,但对不同颗粒的混合物有控制的变化,这具有技术上吸引人的特性。为了实现纳米结构薄膜沿一定方向逐渐改变其物理性质。这种独特的渐进行为可以通过简单地改变二元粒子混合物的组成来实现。为此,研究人员开发了一种实验装置,可以制备这种渐进的胶体晶体由两种不同的粒子组成。

实验室中产生的两种粒子只有一个方面不同:它们产生的纳米结构在不同的温度下融合,从而使材料表面无法挽回地失去其彩虹色。从技术上讲,这种不可逆的干烧结过程产生了无色的薄膜层。研究人员已经用这两种粒子制造出胶体晶体,并利用他们新开发的梯度制造技术。生成的晶体的结构总是相同的:在每个晶体中,在较高温度下失去其结构的粒子比例不断增加,因此更稳定。比较研究表明,较大比例的更稳定的颗粒会导致晶体内的结构降解较慢,并延缓由此产生的颜色损失。

作为光学传感器的微调晶体

Bayreuth团队现在利用这一发现对各种胶体晶体进行了微调。稳定粒子比例逐渐变化的胶体晶体现在承担起传感器的功能:在规定时间内温度越高,颜色损失沿梯度方向扩散得越远。恒温期间的时间越短,此过程中止得越早。由于颜色损失在任何情况下都是不可逆的,因此传感器记录了环境温度水平随时间的变化。

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