Künstliches farbveränderndes Material, das die Chamäleonhaut nachahmt, kann die Frische von Meeresfrüchten erkennen
Wissenschaftler in China und Deutschland haben ein künstliches, farbwechselndes Material entwickelt, das die Chamäleonhaut nachahmt. Dabei sind die Luminogene (Moleküle, die Kristalle zum Leuchten bringen) in verschiedenen Kern- und Schalen-Hydrogelschichten organisiert, anstatt in einer einheitlichen Matrix. Die Ergebnisse, die am 6. Mai in der Zeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlicht wurden, zeigen, dass ein mit diesem Design entwickelter Hydrogel-Chemosensor mit zwei Luminogenen die Frische von Meeresfrüchten erkennen kann, indem er seine Farbe als Reaktion auf Amindämpfe ändert, die von Mikroben freigesetzt werden, wenn der Fisch verdirbt. Das Material kann auch verwendet werden, um die Entwicklung von dehnbarer Elektronik, dynamischen Tarnrobotern und Technologien zur Fälschungssicherheit voranzutreiben.
Dieses Bild zeigt den Farbwechsel des "Chamäleonhaut"-basierten Chemosensors als Reaktion auf biogene flüchtige Amindämpfe, die ein bekannter Indikator für den Verderb von Fisch und Garnelen sind.
Lu et al./Cell Reports Physical Science
"Diese neuartige Kern-Schale-Anordnung erfordert weder eine sorgfältige Auswahl der Luminogenpaare noch eine aufwendige Gestaltung und Regulierung der komplexen photophysikalischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Luminogenen", sagt Tao Chen, Professor am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und einer der Autoren der Studie. "Diese Vorteile sind wichtig für die zukünftige Konstruktion von robusten mehrfarbigen Materialsystemen mit bisher unerreichter Leistung."
Während Wissenschaftler seit langem die Vision haben, weiche Materialien zu entwickeln, die mit Leichtigkeit zwischen einer breiten Palette von fluoreszierenden Farben wechseln können, sind synthetische Materialien selten in der Lage, den Farbton so kunstvoll zu ändern, wie es Chamäleons tun.
"Die meisten künstlichen farbwechselnden weichen Materialien wurden durch die gleichzeitige Einarbeitung von zwei oder mehr reaktionsfähigen Luminogenen in eine einzige Elastomer- oder Hydrogelmatrix hergestellt", sagt Chen. "Andererseits stellt die Organisation verschiedener Iridophore in zwei übereinanderliegenden Kern-Schale-strukturierten Schichten eine evolutionäre Neuheit für Pantherchamäleons dar, die es ihren Häuten ermöglicht, komplexe strukturelle Farben zu zeigen."
Um herauszufinden, ob künstliche farbverändernde Materialien mit der natürlichen Kern-Schale-Struktur der Chamäleonhaut versehen werden können, entwickelten Wei Lu, Forscher am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Kollegen ein Multiluminogen-Schicht-Wasserstoff-System von innen heraus. Zunächst synthetisierten die Forscher ein rot fluoreszierendes Kernhydrogel, das als Vorlage für die anderen Schichten dienen sollte. Dieses Kernhydrogel wurde in verschiedenen wässrigen Europium-Lösungen inkubiert, danach wurde das Gel in einer Wachstumslösung inkubiert, die Natriumalginat und reaktionsfähige blau/grün fluoreszierende Polymere enthält. Spontane Diffusion von Europium-Ionen aus dem Kernhydrogel in die umgebende Lösung löste die Bildung von blauen und grünen Hydrogelschichten aus.
Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Kern- und Schalenschichten der Hydrogele überlappten, konnten sie von rot zu blau oder grün wechseln, wenn sie durch Temperatur- oder pH-Änderungen ausgelöst wurden. Die Autoren merken auch an, dass die Emissionsfarbe der blau und grün fluoreszierenden Schichten eingestellt werden könnte, wodurch das Material Farben aus fast dem gesamten sichtbaren Spektrum darstellen könnte.
"Die vorgeschlagene diffusionsinduzierte Grenzflächenpolymerisation zur Herstellung von Kern-Schale-Materialien erweist sich als allgemein gültig", sagt Chen. "Es ist daher sehr zu erwarten, dass die vorgeschlagene synthetische Strategie erweitert werden könnte, um andere weiche farbwechselnde Materialien herzustellen, wie z. B. intelligente Hydrogele oder Elastomere mit stimulierendem strukturellem Farb- oder Pigment-Farbwechsel."
Um die Fähigkeiten eines aus einem zweilumigen Hydrogel hergestellten Chemosensors zur Erkennung der Frische von Meeresfrüchten zu testen, versiegelten Lu und Kollegen aus dem Material hergestellte Teststreifen 50 Stunden lang in Boxen mit frischen Garnelen oder Fisch. Der Teststreifen, der mit Meeresfrüchten bei weniger als -10 °C gelagert wurde, veränderte sich kaum von seiner ursprünglichen roten Fluoreszenzfarbe, was anzeigte, dass die Lebensmittel noch frisch waren, während der Teststreifen, der mit Meeresfrüchten bei 30 °C gelagert wurde, zu einem lebhaften Grünton wechselte, was anzeigte, dass die Lebensmittel verdorben waren.
Chen vermutet, dass sowohl die neuartigen Kern-Schale-Hydrogele als auch die Strategie der diffusionsinduzierten Grenzflächenpolymerisation, die zu ihrer Herstellung verwendet wurde, sich in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Bereichen als nützlich erweisen könnten, einschließlich der Robotik.
"In naher Zukunft planen wir, die entwickelten Chamäleonhaut-ähnlichen Kern-Schale-Hydrogele zu nutzen, um biomimetische weiche Tarnhäute herzustellen, die verwendet werden können, um die verschiedenen Farbwechsel-Funktionen von Häuten lebender Organismen zu imitieren und dabei zu helfen, wünschenswerte aktive Tarn-, Anzeige- und Alarmfunktionen in Robotern zu erreichen", sagt Chen.
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