Nano-Rost: Smartes Additiv zur Temperaturüberwachung

Die richtige Temperatur entscheidet über den Erfolg technischer Prozesse, die Qualität von Lebensmitteln und Medikamenten oder die Lebenszeit von Elektronikbauteilen und Batterien. Temperaturindikatoren ermöglichen es, (un)erwünschte Temperaturerhöhungen zu erfassen und durch eine Veränderung ihres Signals für einen späteren Auslesevorgang irreversibel aufzuzeichnen. Besonders attraktiv sind Temperaturindikatoren, die aufgrund ihrer geringen Größe leicht in beliebige Objekte integriert werden können und anschließend die Temperaturhistorie des Objekts autonom, das heißt ohne Stromversorgung, überwachen. Demnach können durch das Auslesen des Indikatorsignals erfolgreiche Klebeprozesse verifiziert, unerkannte Temperaturspitzen in globalen Lieferketten aufgedeckt und Hot-Spots in Elektronikgeräten lokalisiert werden.

Prof. Dr. Karl Mandel (Professur für Anorganische Chemie) und seiner Arbeitsgruppe ist es gelungen einen neuartigen Temperatur-Indikator in Form eines Mikrometer-großen Partikels zu entwickeln, der sich v.a. durch sein innovatives, magnetisches Ausleseverfahren von bisher etablierten, meist optischen Indikatoren absetzt. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten wurden nun in der renommierten Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht (https://doi.org/10.1002/adma.202202683). Die Forschung wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des NanoMatFutur Projekts NANO-ID (Grant No. 03XP0149) und durch Promotionsstipendien der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) für die beiden Erstautoren Jakob Reichstein und Stephan Müssig gefördert.

Intelligenter Rost

Zentraler Bestandteil des neuen Temperatur-Indikators ist Rost, ein meist unerwünschtes Produkt der Reaktion von Eisen oder Stahl mit Säuren oder dem Sauerstoff der Luft. Doch in Rost, auch als Eisenoxid bekannt, verbirgt sich enormes, bisher ungenutztes Potential, welches sich die FAU-Forscher mithilfe von Nanotechnologie zu Nutze machen. Für die Herstellung der Temperatur-Indikatoren werden zunächst winzige Rost-Teilchen, sogenannte Eisenoxid-Nanopartikel, hergestellt. Diese werden anschließend zusammen mit kommerziellen Polymeren in größere, so genannte Nanokompositpartikel weiterverarbeitet. Im letzten Prozessschritt werden viele hunderte Nanokompositpartikel über ein Sprühtrocknungsverfahren zu ca. 1-20 Mikrometer-großen sogenannten Suprapartikeln zusammengesetzt. Dieses Verfahren ist beispielsweise für die Produktion von Milchpulver industriell etabliert und somit bestens skalierbar.

Die resultierenden kugelförmigen Suprapartikel weisen eine komplexe, multi-hierarchische Nanoarchitektur auf. In dieser fungieren die Rost-Teilchen als magnetische Signalträger und die Polymere als temperaturempfindliche Komponente. Gemeinsam generieren die beiden Bestandteile die Temperatur-Indikator Funktionalität, die wie folgt funktioniert: Das magnetische Signal der Suprapartikel wird durch die abstandsabhängige Interaktion der Eisenoxid-Nanopartikel dominiert. Durch kurzzeitige Temperaturerhöhungen kommt es zu einer Veränderung der Nanoarchitektur der Suprapartikel. Diese wird durch das verwendete Polymer initiiert und führt zu einer Verringerung der Abstände zwischen den Eisenoxid-Nanopartikeln.

Damit ändert sich die Interaktion zwischen den magnetischen Nanopartikel und damit einhergehend das magnetische Signal der Suprapartikel.

„Diese Signaländerung verläuft graduell und irreversibel. Damit sind die Temperatur-Indikator Suprapartikel in der Lage, die jeweils maximal erreichte Temperatur in ihrer Materialhistorie anzuzeigen“, so Jakob Reichstein, einer der beiden Erstautoren der Publikation.

Geringe Größe und kostengünstig

Entscheidende Vorteile der neuen Temperatur-Indikator Suprapartikel sind neben ihrer flexiblen Einsetzbarkeit aufgrund ihrer geringen Größe und der Verwendung kostengünstiger und bestens verfügbarer Materialien, vor allem ihr modularer Aufbau und ihr magnetisches Ausleseverfahren. Der modulare Aufbau der Suprapartikel ermöglicht es die Indikator-Eigenschaften, beispielsweise Sensitivität, Arbeitsbereich und Ansprechzeit, in drei Prozessschritten spezifisch für eine bestimmte Anwendung einzustellen. Generell liegt die Ansprechzeit der Temperatur-Indikatoren im Bereich von Sekunden bis Minuten. Ihr Arbeitsbereich reicht von ca. 40‑170 °C.

„Besonders hervorzuheben ist zudem das magnetische Ausleseverfahren der Suprapartikel mittels Magnet-Partikel-Spektroskopie (magnetic particle spectroscopy, MPS). MPS ermöglicht es die gespeicherten Informationen der Temperatur-Indikatoren auch bei einer Applikation der Partikel in der Tiefe eines dunklen Objekts oder hinter einer undurchsichtigen Beschichtung auszulesen“, erklärt Stephan Müssig, zweiter Erstautor der Publikation. „Diese Anwendungen wären mit etablierten optischen Temperatur-Indikatoren nicht möglich“, so Müssig weiter. Der Auslesevorgang selbst dauert nur wenige Millisekunden, erfolgt kontaktlos und kann ohne besondere Schulung durchgeführt werden.

„Die Kombination aus intelligenten, magnetischen Suprapartikeln und MPS, stellt eine attraktive Zukunftstechnologie dar, um die analoge Welt der Materialien mit der digitalen Welt zu verbinden und damit wichtige Transformationsprozesse zu verwirklichen. Daher wird diese Technologie auch in den kommenden Jahren weiter im Fokus meiner Forschung stehen“, erklärt Prof. Mandel abschließend.

Weitere Informationen

Originalartikel: „Recording Temperature with Magnetic Supraparticles”, https://doi.org/10.1002/adma.202202683

Kontakt

Prof. Dr. Karl Mandel
Professur für Anorganische Chemie
karl.mandel@fau.de

Jakob Reichstein
jakob.reichstein@fau.de

Stephan Müssig
stephan.müssig@fau.de

https://www.chemie.nat.fau.de/2022/06/17/nano-rost-smartes-additiv-zur-temperaturueberwachung/