22.09.2021 - Trinity College Dublin

Wissenschaftler erstellen 3D-gedruckte, mikroskopisch kleine Gassensoren

"Die winzigen reaktionsfähigen Arrays, die kleiner als eine Sommersprosse sind, können uns enorm viel über die Chemie ihrer Umgebung verraten"

Wissenschaftler des Trinity College Dublin und von AMBER, dem SFI-Forschungszentrum für fortgeschrittene Materialien und biotechnologische Forschung, haben einen Weg gefunden, winzige farbwechselnde Gassensoren mit Hilfe neuer Materialien und einer hochauflösenden Form des 3D-Drucks herzustellen.

Die Sensoren - reaktionsfähige, gedruckte, mikroskopisch kleine optische Strukturen - können in Echtzeit überwacht und zum Nachweis von Lösungsmitteldämpfen in der Luft verwendet werden. Es besteht ein großes Potenzial für den Einsatz dieser Sensoren in vernetzten, preisgünstigen Geräten für den Hausgebrauch oder in tragbaren Geräten zur Überwachung der menschlichen Gesundheit.

Die meisten Menschen verbringen einen Großteil ihres Lebens in Wohnungen, Autos oder am Arbeitsplatz, so dass die Möglichkeit, Schadstoffwerte kostengünstig und genau zu überwachen, einen entscheidenden Beitrag zu Gesundheit und Wohlbefinden leisten könnte.

Die Arbeit wurde von Larisa Florea, Assistenzprofessorin an der School of Chemistry von Trinity und Hauptforscherin bei AMBER, in Zusammenarbeit mit Louise Bradley, Professorin an der School of Physics von Trinity, geleitet und im CRANN, dem Trinity Centre for Research on Adaptive Nanostructures and Nanodevices, durchgeführt. Ein industrieller Mitarbeiter und führendes Unternehmen auf dem Gebiet der Gassensorik, Dr. Radislav Potyrailo von GE Research in Niskayuna, New York, war ebenfalls an der Arbeit beteiligt.

Die Ergebnisse des Teams wurden soeben in einer Sonderausgabe des Journal of Materials Chemistry C veröffentlicht, in der die Arbeit von Professor Florea als Emerging Investigator vorgestellt wird.

Der Hauptautor des Zeitschriftenartikels, Dr. Colm Delaney von der Trinity School of Chemistry und Research Fellow bei AMBER, sagte: "Vor mehr als 300 Jahren untersuchte Robert Hooke erstmals die leuchtenden Farben auf einem Pfauenflügel. Erst Jahrhunderte später entdeckten Wissenschaftler, dass die schillernde Färbung nicht durch herkömmliche Pigmente, sondern durch die Wechselwirkung des Lichts mit winzigen Objekten auf der Feder verursacht wird, die nur einige Millionstel Meter groß sind.

"Wir haben dieses biologische Design, das von der Elster bis zum Chamäleon zu beobachten ist, genutzt, um einige wirklich spannende Materialien herzustellen. Wir erreichen dies durch eine Technik, die als Direct Laser-Writing (DLW) bekannt ist und die es uns ermöglicht, einen Laser auf einen extrem kleinen Punkt zu fokussieren und ihn dann zu nutzen, um aus den weichen Polymeren, die wir im Labor entwickeln, winzige Strukturen in drei Dimensionen zu erzeugen."

Louise Bradley, Professorin für Photonik am Trinity College, die an dem Projekt mitarbeitet, fügte hinzu: "Die Forschung, die wir in beiden Gruppen durchführen, konzentriert sich auf das Design, die Modellierung und die Herstellung dieser winzigen Strukturen aus stimulierend-reaktiven Materialien. Jing Qian, eine fantastische Doktorandin in meinem Labor, hat viel Zeit damit verbracht, Entwürfe zu entwickeln und die Reaktion verschiedener Strukturen vorherzusagen, die wir auf Licht, Wärme und Feuchtigkeit reagieren lassen können, um Systeme zu schaffen, die die Lebendigkeit, das Tarnverhalten und die Fähigkeit zur Tarnung, wie sie in der Natur vorkommen, wirklich nachahmen können. Die winzigen reaktionsfähigen Arrays, die kleiner als eine Sommersprosse sind, können uns enorm viel über die Chemie ihrer Umgebung verraten."

Warum sind winzige, farbige Sensoren nützlich?

Während herkömmliche physikalische Sensoren den Markt für vernetztes Leben gestärkt haben, besteht ein Nachholbedarf an kostengünstigen, anpassungsfähigen Plattformen für chemische Sensoren, die eingesetzt werden können.

Photonische Sensoren haben beträchtliche Fortschritte bei der Entwicklung genauer und robuster Alternativen mit minimalem Stromverbrauch, geringen Betriebskosten und hoher Empfindlichkeit gemacht. Dies ist ein Bereich, an dessen Kommerzialisierung Dr. Potyrailo und GE Research seit vielen Jahren gearbeitet haben.

Professor Larisa Florea von der Trinity School of Chemistry und AMBER sagte: "Wir haben reaktionsfähige, gedruckte, mikroskopische optische Strukturen geschaffen, die in Echtzeit überwacht und zum Nachweis von Gasen verwendet werden können. Die Möglichkeit, ein solches optisch ansprechendes Material zu drucken, birgt ein großes Potenzial für den Einbau in vernetzte, kostengünstige Sensorgeräte für den Haushalt oder in tragbare Geräte zur Überwachung von Analyten.

"Wir verbringen die meiste Zeit unseres Lebens in unseren Häusern, Autos oder Arbeitsumgebungen. Modelle deuten darauf hin, dass die Schadstoffkonzentration das 5-100fache der Konzentration im Freien betragen kann. Dies ist ein beunruhigender Gedanke, wenn man bedenkt, dass laut Weltgesundheitsorganisation 90 % der Weltbevölkerung in Gebieten leben, in denen die zulässigen Luftgrenzwerte überschritten werden. Diese Schadstoffe können durch die Umgebungsluft, vorhandene Chemikalien, Duftstoffe, die Qualität von Lebensmitteln und menschliche Aktivitäten beeinflusst werden und haben tiefgreifende Auswirkungen auf unsere Gesundheit.

"Bislang haben sich Gassensoren für Innenräume fast ausschließlich auf die Erkennung von Lecks, Rauch und Kohlendioxid konzentriert. Selbst schrittweise Fortschritte bei der Erfassung von relativer Luftfeuchtigkeit, Sauerstoffgehalt, Kohlendioxid, flüchtigen organischen Kohlenstoffen (VOC) und Ammoniak in Echtzeit könnten eine enorme Rolle bei der Entwicklung eines Ökosystems für die häusliche Umweltüberwachung spielen. Dies könnte dafür sorgen, dass die Überwachung von Gesundheit und Wohlbefinden in der Zukunft des Hausbaus und der Automatisierung eine zentrale Rolle spielt.

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