Biologisch abbaubarer und umweltfreundlicher Sensor auf Papierbasis zur Erkennung des Lebensmittelzustands
Umweltfreundliche und biologisch abbaubare Elektronik, die dem weltweiten "Green New Deal"-Trend entspricht, wird nicht nur im täglichen Leben, sondern auch in der Lebensmittelindustrie einen großen Beitrag leisten
Die Forschungsgruppe von Prof. Seung Hwan Ko vom Fachbereich Maschinenbau der Seoul National University entwickelte eine Technologie zur Messung der Temperatur und Frische von Lebensmitteln auf der Grundlage von laserinduziertem Graphen auf umweltfreundlichem und biologisch abbaubarem Papier.
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In letzter Zeit sind Umwelt und Lebensmittelsicherheit ein weltweites Thema in der Lebensmittelindustrie . Laut einer Untersuchung von Greenpeace aus dem Jahr 2021 stammen 78% der inländischen Kunststoffabfälle aus Lebensmittelverpackungen. Da die übermäßige Verwendung von Kunststoffen ein ernsthaftes Umweltproblem darstellt, haben multinationale Unternehmen wie Starbucks, Cocacola und McDonald's biologisch abbaubare Becher, Flaschen und Strohhalme auf Papierbasis auf den Markt gebracht und sind damit führend in der umweltfreundlichen, innovativen Technologie. Da die Massenproduktion und der Vertrieb über weite Entfernungen weit verbreitet sind, kommt es außerdem weltweit zu Unfällen im Zusammenhang mit der Lebensmittelsicherheit . Um die komplexen Probleme in der Lebensmittelindustrie zu lösen, werden umweltfreundliche Lebensmittelverpackungen und Echtzeit-Überwachungstechnologien benötigt.
Die jüngsten Fortschritte in der Lebensmittellagerung und -überwachungstechnologie haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Lebensmittelindustrie ermöglicht. Bei der derzeitigen Plattform zur Erkennung des Zustands von Lebensmitteln muss jedoch ein zusätzlicher Sensor am Lebensmittelbehälter angebracht werden, und der verwendete Sensor besteht in der Regel aus einem biologisch nicht abbaubaren Material, was ebenfalls ein Problem in Bezug auf die Umweltfreundlichkeit darstellt.
Die von Prof. Ko geleitete Forschungsgruppe stellte den mit Laser bestrahlten Graphen-Sensor auf handelsüblichen Milchkartons her und entwickelte eine Plattform zur Erkennung der Frische von Lebensmitteln durch den Nachweis des aus den Lebensmitteln austretenden Gases. Darüber hinaus wurde ein papierbasierter laserinduzierter Graphen-Sensor auf der Rückseite des Barcodes hergestellt, um die Echtzeitüberwachung der Frische von Fleisch mit einem Mobiltelefon zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es möglich, dem Benutzer thermische Informationen über Lebensmittel zur Verfügung zu stellen, indem man auf die gleiche Weise einen Sensor auf einem gewöhnlichen Pappbecher herstellt, der die Temperatur der enthaltenen Flüssigkeit erfasst.
Die von Prof. Ko geleitete Forschungsgruppe konzentrierte sich auf laserinduziertes Graphen. Das Forschungsteam hat eine Technologie zur Synthese von Graphen durch eine lokale thermische Reaktion entwickelt, bei der ein Laser auf ein umweltfreundliches Papiersubstrat auf Kohlenstoffbasis gestrahlt wird. Dadurch konnte der Sensor direkt auf einem Substrat aus Zellulose, das für die Verpackung von Lebensmitteln verwendet wird, ohne zusätzliche Bearbeitung hergestellt werden, wodurch eine Plattform geschaffen wurde, die den Zustand von Lebensmitteln in kontinuierlicher Echtzeit erkennen kann.
Laser-induziertes Graphen gehört zu den Allotropen des Kohlenstoffs wie Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und Diamanten. Es verfügt über eine ausgezeichnete Elektronenbeweglichkeit, die es dem LIG ermöglicht, die Temperatur zu messen, und eine hohe spezifische Oberfläche, die es dem LIG erlaubt, Gasmoleküle gut zu erkennen.
Wenn die meisten Lebensmittel nicht bei der richtigen Temperatur gelagert werden, setzen sie Gase frei, in denen sich Krankheitserreger ansiedeln. Mit anderen Worten, es ist wichtig, die Temperatur eines Lebensmittels ständig zu überwachen, da die Lagertemperatur über den zukünftigen Zustand des Lebensmittels entscheidet. Da die meisten Lebensmittel bei ihrer Zersetzung Gas freisetzen, kann die Frische der Lebensmittel durch den Nachweis des freigesetzten Gases bestimmt werden. Das heißt, durch die Erfassung der Frische und der Temperatur des Lebensmittels ist es möglich, Informationen über den gegenwärtigen und zukünftigen Zustand des Lebensmittels zu erhalten.
Die in dieser Studie entwickelte papierbasierte Plattform zur Erfassung von Temperatur und Frische von Lebensmitteln soll umwelt- und sicherheitsrelevante Lebensmittelprobleme lösen, indem sie Informationen über den aktuellen und zukünftigen Zustand von Lebensmitteln liefert. Das Forschungsteam demonstrierte die tatsächliche Situation des Lebensmittelverderbs , indem es das Signal des Lebensmittelverderbs erkannte und die Lebensmitteltemperatur in verschiedenen thermischen Umgebungen erfasste.
Professor. Seung Hwan Ko: "Diese Forschungsarbeit entspricht dem globalen Trend des Green New Deal und wird voraussichtlich wertvolle Informationen und Erkenntnisse für die Entwicklung von Technologien liefern, die Umwelt- und Sicherheitsprobleme in der Lebensmittelindustrie lösen können. Es wird erwartet, dass sie über die Lebensmittelindustrie hinaus in verschiedenen industriellen Bereichen als umweltfreundlicher und biologisch abbaubarer Temperatur- und Gassensor eingesetzt werden kann."
Die Forschungsergebnisse haben weltweit Beachtung gefunden und wurden am 19. Juli 2022 online in "Applied Materials Today", einer akademischen Zeitschrift im Bereich der Materialwissenschaften, veröffentlicht. (Intelligente Papierelektronik durch laserinduziertes Graphen zur biologisch abbaubaren Echtzeitüberwachung des Lebensmittelverderbs )
Diese Forschung wurde durch das Nano Material Technology Development Project der National Research Foundation of Korea unterstützt.
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