科学家开发出可打印的水传感器

在干燥状态下（左；此处为无水液体），传感器材料为紫色；在潮湿状态下（例如，由于空气湿度），传感器材料变为蓝色。此处显示的已打印工件的宽度约为一厘米。图片来源：UAM，维罗尼卡加西亚维加斯

新型多功能塑料复合传感器可以检测到极少量的水。由西班牙-以色列科学家团队开发的3D可打印材料便宜，灵活且无毒，并且在潮湿条件下其颜色从紫色变为蓝色。由马德里自治大学（UAM）的Pilar Amo-Ochoa领导的研究人员使用DESY的X射线光源PETRA III来了解材料内部的结构变化，这些结构变化是由水触发并导致观察到的颜色变化。这一发展为新一代的3D可打印功能材料家族打开了大门。该研究发表在《高级功能材料》上。

在许多领域，包括健康，食品质量控制，环境监测和技术应用，对响应传感器的需求不断增长，这些传感器在特定分子的存在下显示出快速，简单的变化，而水传感器是最常用的传感器。“了解特定环境或材料中存在多少水很重要，” DESY科学家Michael Wharmby解释说，该论文的合著者和光束线P02.1的负责人，在那儿用X射线检查了传感器材料。“例如，如果机油中的水过多，则可能无法很好地润滑机器，而如果机油中的水分过多，则可能无法正常燃烧。”

科学家的新型传感器材料的功能部分是铜基配位聚合物，该化合物的水分子与中心铜原子键合。皮拉尔·阿莫·奥乔亚（Pilar Amo-Ochoa）说：“将化合物加热到60摄氏度时，它的颜色从蓝色变成紫色。” “可以通过将其置于空气中，将其置于水中或将其置于含有微量水的溶剂中来逆转这种变化。” 科学家使用DESY的研究光源PETRA III的高能X射线在实验台P02.1处观察到，加热到60摄氏度的样品中，与铜原子结合的水分子已被去除。这导致材料的可逆结构重组，这是颜色变化的原因。

马德里材料科学研究所（ICMM-CSIC）的合著者何塞·伊格纳西奥·马丁内斯（JoséIgnacioMartínez）解释说：“了解了这一点，我们就能对这种变化的物理过程进行建模。” 然后，科学家们能够将铜化合物混合成3D印刷油墨和多种不同形状的传感器，然后在空气中以及含有不同量水的溶剂中进行测试。这些测试表明，由于其多孔性质，打印出的物体比单独的化合物对水的存在更为敏感。在溶剂中，打印的传感器可以在不到两分钟的时间内检测到0.3％到4％的水。在空气中，它们可以检测到7％的相对湿度。

如果将其干燥（在无水溶剂中或通过加热），则材料会变回紫色。详尽的调查表明，即使在许多加热周期中，该材料也是稳定的，并且铜化合物均匀分布在整个打印传感器中。而且，这种材料在空气中至少可以保持一年以上的稳定状态，并且在与生物有关的pH值范围从5到7的情况下都是稳定的。“此外，现代3-D打印的高度通用性意味着这些设备可以在很大的范围内使用。耶路撒冷的希伯来大学合著者Shlomo Magdassi强调说。他补充说，该概念也可以用于开发其他功能材料。

马德里自治大学的合著者费利克斯·扎莫拉（FélixZamora）说：“这项工作显示了由无孔配位聚合物制成的第一个3D打印复合物体。” “这为在功能性3D打印领域中易于合成并表现出令人感兴趣的磁性，导电性和光学性质的这类化合物家族打开了大门。”

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