Essens-Tattoo!

Was ist ein Essens-Tattoo? Stell dir dein Lieblingsessen vor. Stell dir vor, es wäre mit unglaublich dünnen, essbaren Sensoren „tätowiert“, die dir nützliche Informationen geben könnten. Vielleicht könnten sie dir den Nährstoffgehalt des Essens anzeigen. Oder wo und wann das Essen zubereitet wurde – oder sogar, wie es auf deinen Teller kam. Darauf arbeiten einige Wissenschaftler hin. Mit einem speziellen Laser hat ein Forscherteam gelernt, eine ultradünne Kohlenstoffschicht auf alltägliche Materialien wie Lebensmittel und Stoffe anzubringen. Das ist ein früher, aber wichtiger Schritt zu einem neuartigen elektronischen Sensor. Sie könnten tragbar oder sogar essbar werden.

Yieu Chyan ist Chemiker an der Rice University in Houston, Texas. Sein Team verwendet Laser, um Kohlenstoff in der obersten Schicht verschiedener Gegenstände in ein unglaublich nützliches Material namens Graphen (GRAA-feen) umzuwandeln. Es ist eine einatomige Kohlenstoffschicht. Die Forscher perfektionieren ihre Tätowierungstechnik für die Anwendung auf gängigen kohlenstoffhaltigen Materialien. Dazu gehören Papier, Kork, Holz, Pappe, Stoff – und sogar Lebensmittel wie Kartoffeln und Toast!

Die Art und Weise, wie die Kohlenstoffatome angeordnet sind, lässt Graphen schwarz erscheinen. So können mit dem Laser erstellte Tattoos wie Zeichnungen aussehen. Aber die Forscher fügen weder Tinte noch sonst etwas auf die Oberfläche hinzu. Das Graphen entsteht aus Kohlenstoffatomen, die bereits Teil des Materials waren.

Es hat eine wabenförmige Struktur und ist in nur ein Atom dicken Schichten angeordnet. Wenn ein Laser über die Oberfläche eines Materials fährt, bindet seine intensive Energie die Kohlenstoffatome auf der Oberfläche zusammen und macht sie zu Graphen. Manchmal bringt der Laser stattdessen die Kohlenstoffatome durcheinander. Dadurch entsteht ein Schaum, der keine wirkliche Struktur hat. Wenn das geschieht, führen die Forscher den Laser wieder über die Oberfläche. Beim zweiten Durchgang wird der Kohlenstoffschaum in Graphen umgewandelt. Den so erstellten Kohlenstoff nennen die Wissenschaftler Graphen oder LIG.

Wissenschaftler arbeiten seit langem mit LIG zusammen. “Wir wussten, dass es in vielen Anwendungen sehr nützlich ist – unter anderem in der Sensorik, der Wasserspaltung, der Herstellung von Spezialbeschichtungen und Batterien”, sagt Chyan. Aber frühere Arbeiten, so fügt er hinzu, haben LIG nur auf einem Material namens Polyimid hergestellt. Das ist eine Art von Kunststoff. Darauf wollte sich das Rice-Team nicht beschränken. Chyan erklärt: “Wir wollten LIG auf einer ganzen Reihe verschiedener Materialien anbringen können.”

Dazu haben sie ihre Vorgehensweise geändert. Sie fanden einen Weg, mehrere Laserbehandlungen zur Herstellung von LIG einzusetzen. Dabei stellten sie fest, dass der Laser besonders gut bei Materialien mit hohem Ligningehalt funktioniert. Diese kohlenstoffreiche Substanz kommt in vielen Pflanzen vor. Kork, Kokosnüsse und Kartoffelschalen zum Beispiel konnten sehr gut tätowiert werden. Chyans Team beschrieb seine Ergebnisse am 13. Februar in ACS Nano.

Graphen in der Elektronik

Graphen ist nicht nur sehr stark, sondern leitet auch gut Wärme und Strom. Deshalb sind Wissenschaftler besonders daran interessiert, LIG für die Elektronik zu nutzen. “Man könnte zum Beispiel”, so Chyan, “LIG auf Stoffe anbringen und damit tragbare Elektronik herstellen. Stellen Sie sich eine Jacke vor, die eine eigene Stromquelle, Sensoren und Kabel hat.”

James Tour ist Chemiker bei Rice und Mitautor der neuen Studie. Er würde gerne elektronische Sensoren auf Lebensmitteln sehen. Die Hersteller haben bereits kleine Computerchips auf vielen Gegenständen angebracht. Eine Art von Chip, ein so genannter Radiofrequenz-Identifikations-Tag (RFID), kann viele Arten von Informationen speichern. Menschen können diese gespeicherten Informationen abrufen, indem sie den Tag mit einem kleinen Gerät scannen. Tour stellt sich nun vor, dass eines Tages jedes Lebensmittel “einen winzigen RFID-Tag hat, der Informationen darüber liefert, wo es herkommt, wie lange es gelagert wurde, in welchem Land und in welcher Stadt es sich befindet und welchen Weg es bis zu Ihrem Tisch hinter sich gelegt hat”. LIG-Tags könnten sogar dabei helfen, die Anwesenheit gefährlicher Keime zu erkennen. Und wie? Vielleicht, so sagt Tour, “könnten sie aufleuchten und dir signalisieren, dass du das nicht essen willst.”

Jian Lin ist Maschinenbauingenieur an der Universität von Missouri in Columbia, der mal mit Tour gearbeitet hat. Lin ist optimistisch, was das Potenzial von LIG angeht. Er sagt, die neue Studie beschreibt “eine sehr aufregende Arbeit”. Die Verbesserungen des Rice-Teams zeigen im Wesentlichen, “dass alles mit dem richtigen Kohlenstoffgehalt in Graphen umgewandelt werden kann”.

Lins eigenes Team erforscht den Einsatz von LIG in der Robotik. Sie testen es für Energiespeicherung, Biosensoren und Soft-Robotik, sagt er. Letztere Anwendung erfordert weiche und biegsame Materialien. Auch Chyan befasst sich mit LIG-Anwendungen für die Robotik. Er möchte den Robotern “Touch”-Sensoren geben, die ihnen helfen, auf ein Berührungsgefühl zu reagieren. In Roboterhandschuhen zum Beispiel könnten sie signalisieren, wie fest sie etwas greifen sollen, damit es nicht fällt – aber auch nicht zerdrückt wird.