Durch Nanopartikel entsteht eine Farbe

OneForAll/iStock

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Ein Forscherteam in China hat ein farbveränderndes Material entwickelt, das, wenn es auf den Deckel eines Impfstofffläschchens gelegt wird, Temperaturänderungen und deren Auswirkungen auf den Impfstoff verfolgen kann.

Abgesehen von Impfstoffen benötigen viele Lebensmittel und Arzneimittel eine bestimmte Temperatur, um verwendbar zu bleiben. Das neue Material kann uns helfen, die Sicherheit und Verwendbarkeit all dieser Produkte zu überprüfen.

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass an einem heißen Sommertag ein Kühlwagen COVID-Impfstoffe von einer abgelegenen Einrichtung zu Krankenhäusern und Kliniken im Stadtzentrum liefert. Das Kühlsystem des Lkw stellt während der Fahrt ohne Vorwarnung für einige Stunden den Betrieb ein und schaltet sich dann automatisch wieder ein.

Wenn nun die Deckel der Impfstofffläschchen mit dem vorgeschlagenen farbverändernden Material versehen sind, ändert sich die Farbe dieser Deckel, falls die Qualität und Sicherheit des Impfstoffs beeinträchtigt wird. Andernfalls würde niemand, auch nicht die Ärzte, jemals von der Veränderung der Impfstoffqualität erfahren.

Einige Optionen, wie drahtlose elektronische Sensoren und Farbstoffe, können bereits die Temperatur von Lebensmitteln und Arzneimitteln überwachen. Diese bestehenden Lösungen weisen jedoch mehrere Einschränkungen auf.

Beispielsweise werden Artikel wie Impfstoffe bei Minustemperaturen gelagert – die Farbtöne herkömmlicher Farbstoffe verblassen und drahtlose Sensoren erfordern unter solchen Bedingungen eine kontinuierliche Wartung.

Wenn außerdem jedes Produkt über einen drahtlosen Sensor verfügt, wird dies wahrscheinlich jedes Jahr zu Millionen Tonnen zusätzlichen Elektroschrotts führen. Um solche Einschränkungen zu überwinden, verwendeten die Forscher für ihre Studie Strukturfarben.

Sie können einem Objekt Farbe verleihen, indem Sie pigmentbasierte Materialien wie Farbstoffe oder Strukturfarben verwenden, die farblose Nanopartikel verwenden, um die Art und Weise zu verändern, wie eine Oberfläche Licht reflektiert. Kürzlich haben Wissenschaftler der University of Central Florida die weltweit hellste Farbe auf Basis von Strukturfarben entwickelt.

Wenn Licht auf ein mit Strukturfarben beschichtetes Objekt fällt, bewirkt die Anordnung der Nanopartikel auf der Objektoberfläche, dass das Licht in bestimmten Winkeln gebogen wird und letztendlich die Wellenlänge des reflektierten Lichts bestimmt.

Wenn Wissenschaftler beispielsweise möchten, dass ein Objekt rot erscheint, ordnen sie die Nanopartikel so an, dass das Objekt Licht mit einer roten Wellenlänge reflektiert. Die Autoren der aktuellen Studie verwendeten Strukturfarben, um ein selbstzerstörbares, farbveränderndes und temperaturanzeigendes Material zu schaffen.

Angepasst von ACS Nano 2023

Das farbverändernde Material besteht aus zwei Komponenten; Glycerin-beschichtete Siliziumdioxid-Nanopartikel und eine Lösung, die durch Mischen von Ethylenglykol, Wasser und Polyethylenglykol hergestellt wird. Die SiO2-Partikel konnten rotes und hellgrünes Farblicht reflektieren, wohingegen die Lösung empfindlich auf unterschiedliche Schmelzpunkte reagierte.

Sie kombinierten die beiden Komponenten und schufen ein Material, das Temperaturänderungen im Bereich von -70 °C bis 37,2 °C (-94 °F bis 99 °F) überwachen kann. Sie testeten das Material, indem sie es auf einen Fläschchendeckel legten.

Wenn das Fläschchen in einer Gefrierumgebung aufbewahrt wurde, hatte das Material auf seinem Deckel eine grüne Farbe. Als es jedoch in ein warmes Klima gebracht wurde, zerfielen die Mikrokristalle im Material, da seine Lösungskomponente schmolz. Nach einiger Zeit wurde das Material farblos, was darauf hindeutet, dass die Temperatur die empfohlenen Werte überstieg.

Die Forscher stellen fest: „Diese Systeme waren sehr empfindlich und zeigten erfolgreich an, wenn die Materialien zu warm wurden.“ Derzeit handelt es sich bei der Forschungsarbeit nur um einen Proof of Concept, aber sie glauben, dass sich ihr Ansatz als vielversprechender Weg erweisen könnte, um die Qualität von Waren in Kühllieferketten in Zukunft aufrechtzuerhalten.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht.