En raison de leurs couleurs irisées, les opales sont considérées comme des pierres précieuses particulièrement précieuses depuis l'antiquité. La façon dont ces pierres scintillent est causée par leurs nanostructures. Un groupe de recherche dirigé par le professeur Markus Retsch de l'Université de Bayreuth a produit des cristaux colloïdaux imitant de telles structures, qui conviennent à la construction de nouveaux types de capteurs. Ces capteurs documentent de manière visible et continue la température de leur environnement pendant une période définie. Elles sont, donc, sur mesure pour une surveillance permanente des processus sensibles à la température. Les scientifiques ont présenté leur découverte dans la revue Matériaux avancés .

Des applications intéressantes sont déjà en vue pour ce nouveau type de capteurs. "Pour le fonctionnement en toute sécurité des batteries hautes performances modernes, il est important qu'ils ne soient exposés qu'à des températures modérées pendant de nombreuses heures de fonctionnement. Les pics de température à court terme peuvent mettre en danger la sécurité et la durée de vie des batteries. Grâce aux nouveaux capteurs, le respect de températures ambiantes uniformes peut être surveillé de manière fiable. De plus, le capteur est déjà préprogrammé du fait de sa composition matérielle :il fonctionne de manière autonome et ne peut pas être manipulé par la suite, " dit le doctorant Marius Schöttle (M.Sc.), auteur principal de la nouvelle publication. Prof. Dr Markus Retsch, Chaire de chimie physique I et coordinateur de la nouvelle étude, ajoute :« Nous avons développé un capteur sensible au temps et à la température, sans avoir besoin d'électronique complexe ou d'appareils de mesure spéciaux. De plus, les cristaux artificiels que nous avons synthétisés représentent une nouvelle classe de matériaux très intéressants pour la recherche fondamentale. Il est possible que ces gradients colloïdaux nous aident à traquer des phénomènes physiques auparavant inaccessibles."

Cristaux colloïdaux progressifs dérivés d'opales naturelles

Les opales sont constituées de particules sphériques qui forment des nanostructures supérieures. Les interactions de ces structures hautement symétriques avec la lumière visible font briller les surfaces dans les couleurs les plus diverses. Il en est de même pour les ailes des papillons ou de certains coléoptères. Dans les années récentes, les représentants naturels et artificiels de cette classe de matériaux ont été de plus en plus étudiés. A l'Université de Bayreuth, l'équipe de recherche dirigée par le Prof. Dr. Markus Retsch a maintenant étudié si des matériaux nanostructurés peuvent être produits en utilisant ce principe de construction mais avec une variation contrôlée des mélanges de différentes particules, qui ont des propriétés technologiquement intéressantes. La vision était de réaliser des films nanostructurés qui modifient progressivement leurs propriétés physiques dans une certaine direction. Ce comportement progressif unique pourrait être obtenu en faisant simplement varier la composition d'un mélange de particules binaires. Dans ce but, les chercheurs ont développé un dispositif expérimental permettant la préparation de tels cristaux colloïdaux progressifs comprenant deux types de particules distinctes.

Deux types de particules ont été produites en laboratoire qui ne différaient que sur un seul aspect :leurs nanostructures résultantes fusionnent à différentes températures de sorte que les surfaces des matériaux perdent irrémédiablement leurs couleurs irisées. Techniquement parlant, ce processus de frittage à sec irréversible crée une couche de film incolore. Les chercheurs ont créé des cristaux colloïdaux à partir des deux types de particules et ont utilisé leur nouvelle technique de fabrication par gradient. La structure des cristaux résultants est toujours la même :à l'intérieur de chaque cristal, la proportion de particules qui perdent leurs structures à des températures plus élevées et sont donc plus stables augmente continuellement d'un côté. Des études comparatives ont montré qu'un pourcentage plus élevé de particules plus stables provoque une dégradation structurelle plus lente à l'intérieur du cristal et retarde la perte de couleur qui en résulte.

Cristaux affinés comme capteurs optiques

L'équipe de Bayreuth a maintenant utilisé cette découverte pour affiner divers cristaux colloïdes. Un cristal colloïdal dans lequel la proportion de particules stables évolue progressivement assume désormais la fonction de capteur :plus la température est élevée pendant une période définie, plus la perte de couleur s'étend le long de la direction du dégradé. Plus les périodes pendant une température constante sont courtes, plus tôt ce processus avorte. Étant donné que les pertes de couleur sont irréversibles dans tous les cas, le capteur documente le niveau d'une température ambiante en fonction du temps.