基于梯度胶体晶体的时温一体化光学传感器

两种胶体晶体梯度在暴露于两种不同温度时表现出随时间变化的颜色损失。图片来源：Marius Sch?ttle

由于它们的虹彩颜色，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。由拜罗伊特大学 Markus Retsch 教授领导的一个研究小组已经生产出模仿这种结构的胶体晶体，适用于构建新型传感器。这些传感器在定义的时间段内可以明显且连续地记录其环境中的温度。因此，它们是为永久监控温度敏感过程而量身定制的。科学家们在《先进材料》杂志上发表了他们的发现。

这种新型传感器的有吸引力的应用已经出现。“为了现代高性能电池的安全运行，重要的是它们只能在中等温度下运行数小时。短期温度尖峰会危及电池的安全性和使用寿命。在新传感器的帮助下，可以可靠地监测是否符合统一的环境温度。此外，由于其材料成分，传感器已经进行了预编程：它可以自主工作，之后无法进行操作，”新出版物的主要作者、博士研究员 Marius Sch?ttle (M.Sc.) 说。Markus Retsch 教授博士物理化学 I 主席兼新研究的协调员补充说：“我们已经开发出一种对时间和温度敏感的传感器——不需要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对基础研究非常有趣的新材料. 这些胶体梯度有可能帮助我们追踪以前无法达到的物理现象。”

源自天然蛋白石的渐进胶体晶体

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表面以最多样化的颜色闪烁。蝴蝶或一些甲虫的翅膀也是如此。近年来，对这类材料的天然和人工代表的研究越来越多。在拜罗伊特大学，由 Markus Retsch 教授领导的研究小组现在研究了是否可以使用这种构造原理生产纳米结构材料，但可以控制不同颗粒混合物的变化，这些颗粒在技术上具有吸引力。其愿景是实现沿某个方向逐渐改变其物理特性的纳米结构薄膜。这种独特的渐进行为可以通过简单地改变二元颗粒混合物的组成来实现。为此，研究人员开发了一种实验装置，可以制备这种包含两种不同颗粒的渐变胶体晶体。

在实验室中生产了两种类型的粒子，它们仅在一个方面有所不同：它们产生的纳米结构在不同的温度下融合，因此材料的表面不可避免地失去了彩虹色。从技术上讲，这种不可逆的干法烧结过程会产生无色薄膜层。研究人员创造了胶体晶体来自这两种类型的粒子，并利用他们新开发的梯度制造技术。所得晶体的结构总是相同的：在每个晶体中，在较高温度下失去结构并因此更稳定的颗粒比例不断向一侧增加。比较研究表明，较大比例的更稳定的颗粒会导致晶体内结构退化较慢，并延缓由此产生的颜色损失。

作为光学传感器的微调晶体

拜罗伊特团队现在利用这一发现来微调各种胶体晶体。一种胶体晶体，其中稳定粒子的比例逐渐变化，现在承担了传感器的功能：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，该过程中止的速度就越快。由于颜色损失在任何情况下都是不可逆的，因此传感器记录环境温度水平作为时间的函数。

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