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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Mittwoch, 14. September 2016

Winziges Messgerät für Luftfeuchte und Lösungsmitteldämpfe

Nanosensoren

NIM-Wissenschaftler haben ein nur wenige Nanometer großes Messgerät entwickelt, das gleich zwei Funktionen besitzt: Es detektiert sehr niedrige Luftfeuchtigkeit und kann Dämpfe organischer Lösungsmittel nachweisen. Kernstück ist ein Stapel Nanoschichten.

"Wie ein Stück Blätterteig erscheint das Forschungsobjekt unter dem Elektronenmikroskop: Eine Handvoll locker aufeinander liegende nanometerdünne Schichten aus Antimon-Phosphat. „In Wirklichkeit haben wir hier ein winziges und extrem sensitives Messinstrument, das gleich zwei Funktionen besitzt. Es kann Spuren von Wasser detektieren und außerdem organische Lösungsmittel optisch unterscheiden“, erklärt die Doktorandin Katalin Szendrei. „Der Wasser- oder Lösungsmitteldampf diffundiert zwischen die Nanoschichten und verändert dadurch in Sekunden deren Leitfähigkeit oder Farbe.“ Die Chemikerin arbeitet in der Gruppe der NIM-Professorin Bettina Lotsch. Gemeinsam mit ihrem Kollegen Pirmin Ganter ist sie Erstautorin der zugehörigen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Advanced Materials.

Die Eigenschaften des neuen Nano-Messgerätes klingen vielversprechend: Schnelle Messung, hochsensitiv, präzise und einfach in der Handhabung. Und dabei ist die Konstruktion so winzig, dass sie überall eingebaut werden könnte.


Veränderte Leitfähigkeit

Die Professorin Bettina Lotsch arbeitet sowohl mit ihrer Gruppe „Funktionale Nanostrukturen“ an der LMU München als auch mit ihrem Team am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart an den Nanoschichten. „Wir haben zwei Typen dieser Dünnschicht-Filme entwickelt“, erklärt die Wissenschaftlerin. „Die erste Konstruktion besteht aus einem Stapel Nanoschichten, an den wir Elektroden angebracht haben. Je höher die Luftfeuchte ist und je mehr Wassermoleküle sich somit dazwischen lagern, umso mehr steigt die Leitfähigkeit. Die Messung ist so sensitiv, dass wir schon einen Feuchtegrad von 0,2 Prozent nachweisen können.“


Nachweis durch Farbwechsel

Die zweite Nachweismethode basiert darauf, dass flüchtige Analyte die Dicke der Nanoschicht-Stapel und somit die Lichtbrechung und damit die Farbe verändern. Neben Wasser können die Wissenschaftler hiermit die Dämpfe gängiger Lösungsmittel wie Alkohole, Acetonitril, Toluol oder Heptan optisch unterscheiden. Und sogar chemisch ähnliche Substanzen wie die Konstitutionsisomere 1-Propanol und 2-Propanol differenziert das System.

Dazu nehmen die Chemiker mehrere Stapel und fügen dazwischen Nanopartikel aus Titandioxid ein, die für eine definiert periodische Anordnung der Stapel sorgen. Die Wissenschaftler setzen diese Hybridstruktur in einer Kammer Wasser- oder Lösungsmitteldampf aus. Hierbei diffundieren die Moleküle in die Nanoschicht-Stapel und lassen diese aufquellen. Zudem setzen sie sich in die freien Poren in der Nanopartikelschicht.

Je nach Quellungsgrad wird Licht unterschiedlicher Wellenlänge  an den Schichtübergängen reflektiert und interferiert. Dies resultiert  in verschiedenen strukturellen Farben, wie man sie von Schmetterlingsflügeln, Opalen oder Muschelschalen kennt.

„Mit dem Einsatz dieser Nanoschicht-basierten photonischen Kristalle sind wir die ersten, die mit einem Einzelkomponenten-Sensor Lösungsmitteldämpfe mit derart hoher Empfindlichkeit optisch unterscheiden können“, erklärt Katalin Szendrei. „Andere Ansätze benötigen eine Kombination aus bis zu neun Sensoren und müssen aufwendig statistisch ausgewertet werden.“

Bis ein Messgerät auf Grundlage des neuen Sensors zu kaufen ist, wird es sicherlich noch eine Weile dauern. Aber die Industrie hat bereits Interesse angemeldet.

 

Publikation:

Humidity Sensing: Towards the Nanosheet-Based Photonic Nose: Vapor Recognition and Trace Water Sensing with Antimony Phosphate Thin Film Devices. Pirmin Ganter, Katalin Szendrei,  Bettina V. Lotsch. Advanced Materials, Volume 28, Issue 34, September 14, 2016 , Page 7294

 

Kontakt:

Prof. Bettina Lotsch

Department Chemie
Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Butenandstr.
5-13 (Haus D)
D-81377 München

Mail: bettina.lotsch(at)cup.uni-muenchen.de
Tel: +49 (0)89 2180-77429

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