Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Verbundwerkstoff als CO2-Sensor

08.06.2015

Ein neues Material ändert seine Leitfähigkeit, je nachdem wie hoch die CO2-Konzentration in der Umgebung ist. Die Forschenden, die es entwickelten, stellten damit winzige und sehr einfach aufgebaute Sensoren her.

Materialwissenschaftler der ETH Zürich und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam entwickelten einen neuartigen Sensor, der Kohlendioxid (CO2) messen kann. Er ist viel kleiner, einfacher konstruiert und braucht sehr viel weniger Energie als bestehende Sensoren, von denen er sich im Funktionsprinzip komplett unterscheidet.


Der winzige CO2-Sensor der ETH-Forschenden: Chip mit einer dünnen Schicht des Polymer-Nanopartikel-Verbundmaterials.

Fabio Bergamin / ETH Zürich

Der neue Sensor besteht aus einem neuentwickelten Verbundwerkstoff, der mit CO2-Molekülen wechselwirkt und in Abhängigkeit der CO2-Konzentration in der Umgebung seine Leitfähigkeit ändert. Die ETH-Wissenschaftler haben mit dem Material Sensor-Chips gebaut, mit denen sie mit einer einfachen Messung des elektrischen Widerstands die CO2-Konzentration eruieren können.

Grundlage des Verbundwerkstoffs sind kettenförmige Makromoleküle (Polymere), die sich aus bestimmten Salzen zusammensetzen. Diese Salze heissen «ionische Flüssigkeiten» und sind bei Umgebungstemperatur flüssig und leitfähig. Die daraus hergestellten Polymere haben den für Laien irreführenden Namen «polyionische Flüssigkeiten» – obschon sie nicht flüssig, sondern fest sind.

Unerwartete Eigenschaften

Aus unterschiedlichen Beweggründen – darunter die Batterieforschung und die CO2-Speicherung – untersuchen Wissenschaftler weltweit derzeit diese polyionischen Flüssigkeiten. Aus dieser Forschung ist bekannt, dass polyionische Flüssigkeiten CO2 adsorbieren können. «Wir fragten uns, ob wir diese Eigenschaft ausnützen könnten, um Informationen über die CO2-Konzentration in der Luft zu erhalten und damit einen neuen Typ von Gassensoren zu entwickeln», sagt Christoph Willa, Doktorand am Laboratorium für Multifunktionsmaterialien.

Erfolgreich waren Willa und Dorota Koziej, Oberassistentin am selben Laboratorium, schliesslich, indem sie die Polymere mit bestimmten anorganischen Nanopartikeln mischten, die ebenfalls mit CO2 wechselwirken. Aus den beiden Materialien stellten die Wissenschaftler einen Verbundwerkstoff her. «Weder das Polymer noch die Nanopartikel einzeln sind elektrisch leitend», sagt ETH-Doktorand Willa. «Doch als wir die beiden Komponenten in einem bestimmten Verhältnis mischten, nahm die Leitfähigkeit rapide zu.»

Chemische Veränderungen im Material

Nicht nur dies verblüffte die Wissenschaftler. Auch waren sie überrascht, dass die Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs bei Umgebungstemperatur CO2-abhängig ist.

«Bisher bekannte, sogenannte chemoresitive Materialen zeigen diese Eigenschaft erst ab einer Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius», so Dorota Koziej.

Aus bisherigen chemoresistiven Materialien gebaute Sensoren mussten deswegen auf eine hohe Betriebstemperatur geheizt werden. Beim neuen Verbundwerkstoff ist dies nicht nötig, was die Anwendung deutlich erleichtert.

Wie die CO2-abhängige Veränderung der Leitfähigkeit zustande kommt, ist noch nicht im Detail geklärt. Die Wissenschaftler fanden jedoch Hinweise darauf, dass es an der Grenzfläche zwischen den Nanopartikeln und des Polymers auf der Nanometer-Skala zu chemischen Veränderungen kommt, wenn CO2-Moleküle anwesend sind. «Wir vermuten, dass diese Effekte die Mobilität der geladenen Teilchen im Material verändern», so Koziej.

Atemluftmessgeräte für Taucher

Mit dem neuen Sensor können die Wissenschaftler die CO2-Konzentration in einer grossen Bandbreite messen: von der Konzentration in der Erdatmosphäre von 0,04 Volumenprozent bis zu 0,25 Volumenprozent.

Bestehende CO2-Messgeräte funktionieren meist optisch und nutzen die Tatsache, dass CO2 Infrarotlicht absorbiert. Im Vergleich mit diesen Geräten können nach Angabe der Forschenden mit dem neuen Material sehr viel kleinere, portable Geräte entwickelt werden, die ausserdem weniger Energie benötigen. «Denkbar sind etwa portable Geräte zur Atemluftmessung für Taucher, Extrembergsteiger oder medizinische Anwendungen», so Koziej.

Literaturhinweis

Willa C, Yuan J, Niederberger M, Koziej D: When Nanoparticles Meet Poly(Ionic Liquid)s: Chemoresistive CO2 Sensing at Room Temperature. Advanced Functional Materials 2015, 25: 2537-2542, doi: 10.1002/adfm.201500314

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/06/neuer-verb...

Fabio Bergamin | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Materialwissenschaften: Der Herr der Risse
01.03.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Zaubertinte aus der Nanowelt
28.02.2017 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher ahmen molekulares Gedränge nach

Enzyme verhalten sich im geräumigen Reagenzglas anders als im molekularen Gedränge einer lebenden Zelle. Chemiker der Universität Basel konnten diese engen Bedingungen nun erstmals in künstlichen Vesikeln naturgetreu simulieren. Die Erkenntnisse helfen der Weiterentwicklung von Nanoreaktoren und künstlichen Organellen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Small».

Enzyme verhalten sich im geräumigen Reagenzglas anders als im molekularen Gedränge einer lebenden Zelle. Chemiker der Universität Basel konnten diese engen...

Im Focus: Researchers Imitate Molecular Crowding in Cells

Enzymes behave differently in a test tube compared with the molecular scrum of a living cell. Chemists from the University of Basel have now been able to simulate these confined natural conditions in artificial vesicles for the first time. As reported in the academic journal Small, the results are offering better insight into the development of nanoreactors and artificial organelles.

Enzymes behave differently in a test tube compared with the molecular scrum of a living cell. Chemists from the University of Basel have now been able to...

Im Focus: Mit Künstlicher Intelligenz das Gehirn verstehen

Wie entsteht Bewusstsein? Die Antwort auf diese Frage, so vermuten Forscher, steckt in den Verbindungen zwischen den Nervenzellen. Leider ist jedoch kaum etwas über den Schaltplan des Gehirns bekannt.

Wie entsteht Bewusstsein? Die Antwort auf diese Frage, so vermuten Forscher, steckt in den Verbindungen zwischen den Nervenzellen. Leider ist jedoch kaum etwas...

Im Focus: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

„Microbiology and Infection“ – deutschlandweit größte Fachkonferenz 5.-8. März in Würzburg

01.03.2017 | Veranstaltungen

Nebennierentumoren: Radioaktiv markierte Substanzen vermeiden unnötige Operationen

28.02.2017 | Veranstaltungen

350 Onlineforscher_innen treffen sich zur Fachkonferenz General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Microbiology and Infection“ – deutschlandweit größte Fachkonferenz 5.-8. März in Würzburg

01.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CeBIT 2017: Automatisiertes Fahren: Sicheres Navigieren im Baustellenbereich

01.03.2017 | CeBIT 2017

Hybrid-Speicher mit Marktpotenzial: Batterie-Produktion goes Industrie 4.0

01.03.2017 | Energie und Elektrotechnik