Cellulosa skapar nya sensorer
Cellulosa indränkt i en väl avvägd polymerblandning blir till en sensor som mäter tryck, temperatur och fukt, samtidigt. Mätningarna är helt oberoende av varandra. Sensorn kan få stor betydelse inom områden som robotik, hälsovård och säkerhet.
Sensorn har tagits fram av forskarna vid Laboratoriet för organisk elektronik under ledning av professor Xavier Crispin. Detta tack var att de fått fram en elastisk aerogel av polymerer som leder både joner och elektroner och att de sedan drar nytta av den termoelektriska effekten. Att materialet är termoelektriskt innebär att elektroner rör sig från den kalla sidan av materialet till mot den varma och på så vis skapar en spänning.
Nanofibrer av cellulosa blandas med den ledande polymeren PEDOT:PSS i vatten och frystorkas sedan i vakuum. Resultatet blir en aerogel med en struktur som en tvättsvamp. Genom att även tillföra ämnet polysilen blir svampen också elastisk.
Lägger man en elektrisk spänning över materialet ger det en ström som ökar linjärt, typisk för alla resistanser - motstånd. När materialet utsätt för tryck minskar motståndet och elektronerna flyter lättare igenom materialet - strömstyrkan ökar.
Eftersom materialet är termoelektriskt kan man också mäta temperaturförändringar, ju större skillnad i temperatur mellan den varma och kalla sidan, desto högre spänning. Slutligen påverkar fukthalten hur snabbt jonerna rör sig från den varma sidan till den kalla. Transporteras inga joner alls är fuktigheten noll.
– Det nya är att vi kan skilja mellan den termoelektriska effekten från elektronerna, som ger temperaturskillnaden, och effekten från jonerna, som anger fukthalten, genom att följa den elektriska signalen över tid. Effekterna har olika hastighet, säger Xavier Crispin, professor i organisk elektronik och huvudförfattare till artikeln som har publicerats i Advanced Science.
– Detta betyder att vi kan mäta tre olika parametrar med samma material utan att de olika mätningarna är kopplade till varandra, säger han.
Shaobo Han, doktorand, och Simone Fabiano, forskningsledare inom organisk nanoelektronik vid Laboratoriet för organisk elektronik, har bland annat också hittat ett sätt att separera de tre olika signalerna från varandra så att de enkelt kan avläsas var för sig.
– Vår unika sensor banar också väg för Internet of things, sakernas internet, med mindre komplexitet och lägre produktionskostnader. Inte minst är detta en fördel inom exempelvis säkerhetsbranschen. Ytterligare en tänkbar applikation är som sensor i paket med känsligt gods, säger Simone Fabiano.
Forskningen har finansierats via anslag från bland andra Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (projekt Tail of the Sun), Wallenberg Wood Science Center, Vinnovas Digital Cellulose Center och regeringens strategiska satsning på avancerade funktionella material vid Linköpings universitet, AFM.