Los ópalos artificiales miden la temperatura y el tiempo
Los investigadores descubren nuevos sensores
Debido a sus colores iridiscentes, los ópalos han sido considerados desde la antigüedad como piedras preciosas. El brillo de estas piedras se debe a sus nanoestructuras. Un grupo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Markus Retsch, de la Universidad de Bayreuth, ha producido cristales coloidales que imitan estas estructuras y que son adecuados para construir nuevos tipos de sensores. Estos sensores documentan de forma visible y continua la temperatura de su entorno durante un periodo determinado. Por lo tanto, están hechos a medida para un control permanente de los procesos sensibles a la temperatura. Los científicos han presentado su descubrimiento en la revista "Advanced Materials".
Marius Schöttle M.Sc., primer autor del estudio, con un cristal coloide artificial.
(c) UBT / Chair of Physical Chemistry I.
Ya se vislumbran atractivas aplicaciones para este nuevo tipo de sensores. "Para el funcionamiento seguro de las modernas baterías de alto rendimiento, es importante que sólo estén expuestas a temperaturas moderadas durante muchas horas de funcionamiento. Los picos de temperatura de corta duración pueden poner en peligro la seguridad y la vida útil de las baterías. Con la ayuda de los nuevos sensores, se puede controlar de forma fiable el cumplimiento de temperaturas ambientales uniformes. Además, el sensor ya está preprogramado debido a la composición de su material: funciona de forma autónoma y no se puede manipular a posteriori", afirma el investigador doctoral Marius Schöttle (M.Sc.), autor principal de la nueva publicación.
El Prof. Dr. Markus Retsch, catedrático de Química Física I y coordinador del nuevo estudio, añade: "Hemos desarrollado un sensor sensible al tiempo y a la temperatura, sin necesidad de una electrónica compleja ni de dispositivos de medición especiales. Además, los cristales artificiales que hemos sintetizado representan una nueva clase de materiales muy interesantes para la investigación fundamental. Es posible que estos gradientes coloidales nos ayuden a rastrear fenómenos físicos antes inaccesibles".
Cristales coloidales graduales derivados de ópalos naturales
Los ópalos están compuestos por partículas esféricas que forman nanoestructuras superordinadas. Las interacciones de estas estructuras altamente simétricas con la luz visible hacen que las superficies brillen en los más diversos colores. Lo mismo ocurre con las alas de las mariposas o de algunos escarabajos. En los últimos años se han estudiado cada vez más los representantes naturales y artificiales de esta clase de materiales. En la Universidad de Bayreuth, el equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Markus Retsch ha investigado ahora si se pueden producir materiales nanoestructurados utilizando este principio de construcción pero con una variación controlada de las mezclas de diferentes partículas, que tienen propiedades tecnológicamente atractivas. La visión era realizar películas nanoestructuradas que cambiaran gradualmente sus propiedades físicas a lo largo de una determinada dirección. Este comportamiento gradual único podría lograrse simplemente variando la composición de una mezcla binaria de partículas. Para ello, los investigadores desarrollaron un montaje experimental que permite preparar esos cristales coloidales graduales compuestos por dos tipos de partículas distintas.
En el laboratorio se produjeron dos tipos de partículas que sólo se diferenciaban en un aspecto: sus nanoestructuras resultantes se fusionan a diferentes temperaturas, de modo que las superficies de los materiales pierden irremediablemente sus colores iridiscentes. Técnicamente hablando, este proceso irreversible de sinterización en seco crea una capa de película incolora. Los investigadores han creado cristales coloidales a partir de ambos tipos de partículas y han utilizado su recién desarrollada técnica de fabricación en gradiente. La estructura de los cristales resultantes es siempre la misma: dentro de cada cristal, la proporción de partículas que pierden su estructura a temperaturas más altas y que, por tanto, son más estables, aumenta continuamente hacia un lado. Estudios comparativos han demostrado que un mayor porcentaje de partículas más estables provoca una degradación estructural más lenta dentro del cristal y retrasa la pérdida de color resultante.
Cristales afinados como sensores ópticos
El equipo de Bayreuth ha utilizado este descubrimiento para ajustar varios cristales coloides. Un cristal coloide en el que la proporción de partículas estables cambia gradualmente adquiere ahora la función de un sensor: cuanto mayor sea la temperatura durante un periodo definido, más se extiende la pérdida de color a lo largo de la dirección del gradiente. Cuanto más cortos sean los periodos durante una temperatura constante, antes abortará este proceso. Como las pérdidas de color son irreversibles en cualquier caso, el sensor documenta el nivel de una temperatura ambiente en función del tiempo.
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