在干燥狀態(tài)下（左；此處為無水液體），傳感器材料為紫色；在潮濕狀態(tài)下（例如，由于空氣濕度），傳感器材料變?yōu)樗{(lán)色。此處顯示的已打印工件的寬度約為一厘米。圖片來源：UAM，維羅尼卡加西亞維加斯

新型多功能塑料復(fù)合傳感器可以檢測(cè)到極少量的水。由西班牙-以色列科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)的3D可打印材料便宜，靈活且無毒，并且在潮濕條件下其顏色從紫色變?yōu)樗{(lán)色。由馬德里自治大學(xué)（UAM）的Pilar Amo-Ochoa領(lǐng)導(dǎo)的研究人員使用DESY的X射線光源PETRA III來了解材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，這些結(jié)構(gòu)變化是由水觸發(fā)并導(dǎo)致觀察到的顏色變化。這一發(fā)展為新一代的3D可打印功能材料家族打開了大門。該研究發(fā)表在《高級(jí)功能材料》上。

在許多領(lǐng)域，包括健康，食品質(zhì)量控制，環(huán)境監(jiān)測(cè)和技術(shù)應(yīng)用，對(duì)響應(yīng)傳感器的需求不斷增長(zhǎng)，這些傳感器在特定分子的存在下顯示出快速，簡(jiǎn)單的變化，而水傳感器是最常用的傳感器。“了解特定環(huán)境或材料中存在多少水很重要，” DESY科學(xué)家Michael Wharmby解釋說，該論文的合著者和光束線P02.1的負(fù)責(zé)人，在那兒用X射線檢查了傳感器材料。“例如，如果機(jī)油中的水過多，則可能無法很好地潤(rùn)滑機(jī)器，而如果機(jī)油中的水分過多，則可能無法正常燃燒�！�

科學(xué)家的新型傳感器材料的功能部分是銅基配位聚合物，該化合物的水分子與中心銅原子鍵合。皮拉爾·阿莫·奧喬亞（Pilar Amo-Ochoa）說：“將化合物加熱到60攝氏度時(shí)，它的顏色從藍(lán)色變成紫色。” “可以通過將其置于空氣中，將其置于水中或?qū)⑵渲糜诤�有微量水的溶劑中來逆轉(zhuǎn)這種變化�！� 科學(xué)家使用DESY的研究光源PETRA III的高能X射線在實(shí)驗(yàn)臺(tái)P02.1處觀察到，加熱到60攝氏度的樣品中，與銅原子結(jié)合的水分子已被去除。這導(dǎo)致材料的可逆結(jié)構(gòu)重組，這是顏色變化的原因。

馬德里材料科學(xué)研究所（ICMM-CSIC）的合著者何塞·伊格納西奧·馬丁內(nèi)斯（JoséIgnacioMartínez）解釋說：“了解了這一點(diǎn)，我們就能對(duì)這種變化的物理過程進(jìn)行建模�！� 然后，科學(xué)家們能夠?qū)�銅化合物混合成3D印刷油墨和多種不同形狀的傳感器，然后在空氣中以及含有不同量水的溶劑中進(jìn)行測(cè)試。這些測(cè)試表明，由于其多孔性質(zhì)，打印出的物體比單獨(dú)的化合物對(duì)水的存在更為敏感。在溶劑中，打印的傳感器可以在不到兩分鐘的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到0.3％到4％的水。在空氣中，它們可以檢測(cè)到7％的相對(duì)濕度。

如果將其干燥（在無水溶劑中或通過加熱），則材料會(huì)變回紫色。詳盡的調(diào)查表明，即使在許多加熱周期中，該材料也是穩(wěn)定的，并且銅化合物均勻分布在整個(gè)打印傳感器中。而且，這種材料在空氣中至少可以保持一年以上的穩(wěn)定狀態(tài)，并且在與生物有關(guān)的pH值范圍從5到7的情況下都是穩(wěn)定的。“此外，現(xiàn)代3-D打印的高度通用性意味著這些設(shè)備可以在很大的范圍內(nèi)使用。耶路撒冷的希伯來大學(xué)合著者Shlomo Magdassi強(qiáng)調(diào)說。他補(bǔ)充說，該概念也可以用于開發(fā)其他功能材料。

馬德里自治大學(xué)的合著者費(fèi)利克斯·扎莫拉（FélixZamora）說：“這項(xiàng)工作顯示了由無孔配位聚合物制成的第一個(gè)3D打印復(fù)合物體�！� “這為在功能性3D打印領(lǐng)域中易于合成并表現(xiàn)出令人感興趣的磁性，導(dǎo)電性和光學(xué)性質(zhì)的這類化合物家族打開了大門。”