Stresssensor aus lebendem Material effektiv

Im Dunkeln leuchtender Stresssensor in mehreren Formen (Fotos: today.ucsd.edu)

San Diego (pte018/24.10.2023/12:30) - Mit einem neuen biologisch basierten Sensor von Forschern der University of California San Diego ( https://ucsd.edu )(UC San Diego) lassen sich außergewöhnliche Belastungen etwa von tragenden Bauteilen oder Maschinen erkennen. Ein komplettes Versagen wird somit unmöglich. Das Gerät reagiert auf mechanische Belastungen wie Kompression, Dehnung oder Verdrehung, indem es aufleuchtet. Für diese Lumineszenz sorgen einzellige Algen, sogenannte Dinoflagellaten.

Ohne Elektronik und Batterien

"Das Faszinierende an diesen Materialien ist ihre inhärente Einfachheit. Sie benötigen weder Elektronik noch eine Stromquelle. Wir zeigen, wie wir die Kraft der Natur nutzen können, um mechanische Reize direkt in Lichtemission umzuwandeln", sagt Forschungsleiter Shengqiang Cai.

Die Hauptbestandteile der biolumineszierenden Materialien sind Dinoflagellaten und ein auf Algen basierendes Polymer namens Alginat, das auch zur Wundversorgung genutzt wird. Daraus haben die Forscher eine Art Tinte für einen 3D-Drucker entwickelt. Dieser produziert vielfältig geformte Sensoren wie Gitter, Spiralen, Spinnennetze, Kugeln, Blöcke und pyramidenartige Strukturen. Werden diese Bauteile komprimiert, gedehnt oder verdreht, reagieren die darin enthaltenen Dinoflagellaten mit der Emission von Licht.

Sogar Reaktion auf Leichtgewicht

Die Reaktion ahmt das nach, was im Ozean geschieht, wenn Dinoflagellaten im Rahmen einer Abwehrstrategie gegen Raubtiere Lichtblitze erzeugen. In Tests leuchteten die Materialien, wenn die Forscher darauf drückten und Muster auf ihre Oberfläche zeichneten. Die Materialien sind so empfindlich, dass sie sogar unter dem Leichtgewicht einer darüber rollenden Schaumstoffkugel leuchten.

Die Dinoflagellaten beziehen ihre Energie, um zu leuchten, aus dem Umgebungslicht. Diese wird genutzt, um im Dunkeln Biolumineszenz zu erzeugen. Bisher haben die 3D-gedruckten Strukturen unter "harten Bedingungen" etwa fünf Monate lang mit geringem Wartungsaufwand funktioniert. Die Sensoren können auch in Robotern mit weichem Körper oder medizinischen Implantaten eingesetzt werden, die Lichtsignale nutzen, um Wirkstoffe freizusetzen oder Behandlungen durchzuführen.

"Diese aktuelle Arbeit demonstriert eine einfache Methode, lebende Organismen mit nicht lebenden Komponenten zu kombinieren, um neuartige Materialien herzustellen, die sich selbst erhalten und empfindlich auf grundlegende mechanische Reize in der Natur reagieren", sagt Chenghai Li, Doktorand von Shengqiang Cai.

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