Messfühler zum Aufsprühen – Kohlenstoff-Nanoröhren als dehnungsempfindliche Sensoren

Der Lehrstuhl Mikrosystemtechnik am Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart entwickelt gemeinsam mit der Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe (TEG) Schichten aus Kohlenstoff-Nanoröhren, die als dehnungsempfindliche Sensoren eingesetzt werden können.

Mit dem neuen Verfahren, so die Hoffnung der Wissenschaftler, werden sich Sensoren zur Messung lokaler Dehnungseigenschaften einmal „einfach“ auf die Oberfläche aufsprühen lassen. Dies wäre erheblich kostengünstiger und flexibler als bisherige Verfahren.

Die Nanotechnologie birgt ein hohes Innovationspotential und gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sind die wichtigsten Vertreter dieser neuen Materialklasse und haben seit ihrer Entdeckung 1991 rasant an Interesse in Forschung und Entwicklung gewonnen. Zurückzuführen ist dies auf die außergewöhnlichen Materialeigenschaften der Nanoröhrchen, die sie für eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, darunter auch als Materialkomponente für Sensoren interessant machen.

Kohlenstoff-Nanoröhren bestehen aus gekrümmten und in sich geschlossenen graphitähnlichen Atomlagen, die typischerweise aus einer sehr großen Anzahl von ringförmig gebundenen Kohlenstoffatomen bestehen und zu einer stabilen schlauchartigen Gesamtstruktur der Moleküle führen. Eine weitere Besonderheit liegt in der molekularen Struktur: Kohlenstoff-Nanoröhren besitzen einen winzigen Durchmesser von nur wenigen Nanometern, sind aber bis zu mehreren Zentimetern lang. Dieses ungewöhnliche Verhältnis führt zu einer großen Oberfläche der CNT-Moleküle bei vergleichsweise geringer Dichte.

All dies hat zur Folge, dass die Röhrchen einerseits eine sehr gute mechanische Zugfestigkeit, andererseits aber auch eine große Elastizität aufweisen.

Die hohe Affinität der Nanoröhren untereinander und auch zu anderen Molekülen führt dazu, dass sie sich leicht zu Bündeln zusammenschließen. Sie können sich jedoch auch zur Anlagerung anderer Stoffe, wie beispielsweise Gase, Dämpfe oder auch biologischen Substanzen wie die Erbsubstanz DNS verwendet werden. Diese Materialeigenschaften machen Kohlenstoff-Nanoröhren für alle sensorischen Anwendungen in der chemischen und biologischen Analytik höchst interessant.

Gegenwärtig werden in Stuttgart material- und anlagentechnische Konzepte entwickelt, die es ermöglichen sollen, dehnungsempfindliche CNT-Schichten kostengünstig und flexibel durch das Aufsprühen von CNT-Dispersionen herzustellen. Als Versuchsstand dient eine Kabine, in der ein Roboter ein Sprühwerkzeug führt.

Ansprechpartner: Dr. Joachim Sägebarth,
Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb
Tel. 0711/970-1460, e-Mail: jes@iff.uni-stuttgart.de