兩種膠體晶體梯度在暴露于兩種不同溫度時表現出隨時間變化的顏色損失。圖片來源：Marius Sch?ttle

由于它們的虹彩顏色，蛋白石自古以來就被認為是特別珍貴的寶石。這些石頭閃爍的方式是由它們的納米結構引起的。由拜羅伊特大學 Markus Retsch 教授領導的一個研究小組已經生產出模仿這種結構的膠體晶體，適用于構建新型傳感器。這些傳感器在定義的時間段內可以明顯且連續(xù)地記錄其環(huán)境中的溫度。因此，它們是為永久監(jiān)控溫度敏感過程而量身定制的�？茖W家們在《先進材料》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現。

這種新型傳感器的有吸引力的應用已經出現�！盀榱爽F代高性能電池的安全運行，重要的是它們只能在中等溫度下運行數小時。短期溫度尖峰會危及電池的安全性和使用壽命。在新傳感器的幫助下，可以可靠地監(jiān)測是否符合統一的環(huán)境溫度。此外，由于其材料成分，傳感器已經進行了預編程：它可以自主工作，之后無法進行操作，”新出版物的主要作者、博士研究員 Marius Sch?ttle (M.Sc.) 說。Markus Retsch 教授博士物理化學 I 主席兼新研究的協調員補充說：“我們已經開發(fā)出一種對時間和溫度敏感的傳感器——不需要復雜的電子設備或特殊的測量設備。此外，我們合成的人造晶體代表了一類對基礎研究非常有趣的新材料. 這些膠體梯度有可能幫助我們追蹤以前無法達到的物理現象。”

源自天然蛋白石的漸進膠體晶體

蛋白石由球形顆粒組成形成高級納米結構。這些高度對稱的結構與可見光的相互作用使表面以最多樣化的顏色閃爍。蝴蝶或一些甲蟲的翅膀也是如此。近年來，對這類材料的天然和人工代表的研究越來越多。在拜羅伊特大學，由 Markus Retsch 教授領導的研究小組現在研究了是否可以使用這種構造原理生產納米結構材料，但可以控制不同顆�；旌衔锏淖兓�，這些顆粒在技術上具有吸引力。其愿景是實現沿某個方向逐漸改變其物理特性的納米結構薄膜。這種獨特的漸進行為可以通過簡單地改變二元顆�；旌衔锏慕M成來實現。為此，研究人員開發(fā)了一種實驗裝置，可以制備這種包含兩種不同顆粒的漸變膠體晶體。

在實驗室中生產了兩種類型的粒子，它們僅在一個方面有所不同：它們產生的納米結構在不同的溫度下融合，因此材料的表面不可避免地失去了彩虹色。從技術上講，這種不可逆的干法燒結過程會產生無色薄膜層。研究人員創(chuàng)造了膠體晶體來自這兩種類型的粒子，并利用他們新開發(fā)的梯度制造技術。所得晶體的結構總是相同的：在每個晶體中，在較高溫度下失去結構并因此更穩(wěn)定的顆粒比例不斷向一側增加。比較研究表明，較大比例的更穩(wěn)定的顆粒會導致晶體內結構退化較慢，并延緩由此產生的顏色損失。

作為光學傳感器的微調晶體

拜羅伊特團隊現在利用這一發(fā)現來微調各種膠體晶體。一種膠體晶體，其中穩(wěn)定粒子的比例逐漸變化，現在承擔了傳感器的功能：在規(guī)定時間內溫度越高，顏色損失沿梯度方向擴散得越遠。恒溫期間的時間越短，該過程中止的速度就越快。由于顏色損失在任何情況下都是不可逆的，因此傳感器記錄環(huán)境溫度水平作為時間的函數。