Ein selbstheilender Sensor aus Nanofasern für die Kühllogistik
Verderbliche Güter, insbesondere für Lebensmittel und Pharmazeutika, müssen während der Herstellung, der Lagerung und des Transports innerhalb bestimmter, niedriger Temperaturbereiche gehalten werden, um Abbau und Verderb zu verhindern. Kleine Geräte, so genannte Time-Temperatur-Indikatoren (TTI), werden zur Erkennung und Aufzeichnung von Temperaturänderungen in der gesamten Kühlkette verwendet, sind aber anfällig für physische Einwirkungen. Ein selbstheilendes Nanomaterial bietet möglicherweise eine neue Lösung.
"Leider sind konventionelle TTIs für viele praktische Anwendungen nur sehr begrenzt breit einsetzbar", erklärt Dr. Dongyeop Oh, Senior Researcher am Forschungszentrum für industrielle chemische Biotechnologie am Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT). "Zum Beispiel ist TTI auf Diffusionsbasis anfällig für Gewalteinwirkung, Einstiche und Schnitte. TTI auf der Basis chemischer Reaktionen ist teuer und birgt das Risiko eines potenziellen Austritts von Chemikalien."
Um diese Probleme anzugehen, stellten KRICT-Forscher einen innovativen Typ von Zeit-Temperatur-Sensor her, der ein selbstheilendes Material verwendet. Dieser Sensor benötigt nur ein einziges Material mit einer Phase und funktioniert aufgrund seiner eigenen inhärenten Eigenschaften.
"Was wir entwickelt haben, enthält in allen Aspekten überlegene Eigenschaften im Vergleich zu einem herkömmlichen TTI", betont Oh. "Unser TTI funktioniert auch dann noch, wenn er gewaltsamen Stößen, Einstichen, hoher Belastung und sogar Schnitten ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist er sehr flexibel, nicht dem Risiko eines Chemikalienaustritts ausgesetzt und kostengünstig."
Wie das Team in Advanced Materials ("A Self-Healing Nanofiber-Based Self-Responsive Time-Temperature Indicator for Securing a Cold-Supply Chain") berichtet, basiert ihr TTI auf einem elektrogesponnenen, selbstheilenden Nanofaser-Vliesstoffmaterial.
Die Funktionalität dieses neuartigen TTI basiert auf den einzigartigen Eigenschaften eines selbstheilenden Materials, nämlich, dass seine Oberfläche mit der Temperatur und der Zeit im gleichen Zeitmaßstab abnimmt, in dem verderbliche Lebensmittel verderben, da die Oberfläche proportional zur thermodynamischen freien Energie ist.
"Um diese Idee zu verwirklichen, haben wir unser kürzlich berichtetes (Advanced Materials, "Superior Toughness and Fast Self-Healing at Room Temperature Engineered by Transparent Elastomers") selbstheilendes Material verwendet, bei dem es sich um ein aromatisches thermoplastisches Polyurethan (TPU) auf Disulfidbasis handelt, das bei Raumtemperatur effizient arbeitet und über hervorragende mechanische Eigenschaften verfügt", erklärt Oh. "Um seine Oberfläche zu maximieren und eine flexible und dünne Form zu erhalten, haben wir das selbstheilende Material durch Elektrospinnen zu einer Nanofaservliesmatte gesponnen".
Selbstheilende Polymere sind fortschrittliche Materialien, die derzeit bei Forschern sehr beliebt sind. Eine ihrer Eigenschaften ist die Minimierung der Oberfläche, während Nanofasern ein oberflächenmaximiertes Material sind.
Durch die Kombination dieser beiden gegensätzlichen Eigenschaften in einem Gerät durchläuft der selbstheilende TTI auf Nanofaserbasis im Laufe der Zeit ein irreversibles und dramatisches Phasenänderungsverhalten, um die thermodynamische freie Energie zu stabilisieren.
Oh weist darauf hin, dass selbstheilende Polymere in der Forschung weit verbreitet sind, aber über die Herstellung von Nanofasern mit einem reinen selbstheilenden Material selbst wurde bisher noch nie berichtet. Zu diesem Zweck hat das Team zum ersten Mal erfolgreich eine Einkomponenten-Nanofaser aus selbstheilendem Elastomer durch Elektrospinnen hergestellt.
Elektrogesponnene Vliesstoffe sind aufgrund der Reflexion und Streuung von Licht im Allgemeinen undurchsichtig. Die vom KRICT-Team entwickelte opake Nanofasermatte wird jedoch ab einer bestimmten Temperatur im Laufe der Zeit allmählich transparent.
Nachdem die Forscher die Grundfunktionalität ihres TTI-Geräts bei zwei verschiedenen Temperaturen - bei 2 °C für gekühlte Lebensmittel und -20 °C für Tiefkühlkost - demonstriert haben, arbeiten sie nun an Verbesserungen, die für die Erkennung verschiedener Temperaturbereiche erforderlich sind, damit sich das TTI für praktische logistische Anwendungen eignet.
Eine Einschränkung der derzeitigen Herstellungsmethode besteht darin, dass das Elektrospinnen für die Massenproduktion nicht sehr geeignet ist. Um dieses Problem anzugehen, erwägt das Team verschiedene Lösungen, darunter das Schmelzblas-Spinnen.
"Im Vergleich zu elektronischen Geräten ist die Art der auf Stimuli ansprechenden Materialien, die in unserem Gerät verwendet werden, kostengünstig und einfach herzustellen", so Oh abschließend. "Sie neigen jedoch dazu, einen Mangel an Empfindlichkeit zu haben und liefern nur begrenzte Informationen. Unsere laufenden Forschungsbemühungen konzentrieren sich darauf, diese Einschränkungen anzugehen."
Quelle: Nanowerk - A self-healing nanofiber sensor for temperature-sensitive logistics
Originalartikel: Advanced Materials - A Self-Healing Nanofiber-Based Self-Responsice Time-Temperature Indicator for Securing a Cold-Supply Chain