Hochempfindliche Drucksensoren aus Nanopartikelmembranen

25. August 2020, von MIN-Dekanat

Foto: UHH/MIN/Schlicke

Zur Charakterisierung der hergestellten Drucksensoren werden Gold-Nanopartikelmembranen durch eine Druckdifferenz verformt. Die dadurch verursachte Membrandehnung wird mit dem Rasterkraftmikroskop bestimmt während gleichzeitig die hochempfindliche Änderung der Leitfähigkeit gemessen wird.

Einer Forschungsgruppe des Fachbereichs Chemie der Universität Hamburg ist es in Kooperation mit der Technischen Universität Hamburg Harburg (TUHH) gelungen, aus freistehenden Gold-Nanopartikelmembranen hochempfindliche Drucksensoren herzustellen. Diese Sensoren übertreffen die Empfindlichkeit bisher bekannter Drucksensoren aus Nanomaterialen um 1-2 Größenordnungen und lassen somit ein hohes Potential für die Entwicklung zukünftiger Druck- und Dehnungssensoren mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten erkennen.

Gold-Nanopartikel werden aufgrund ihrer intensiven roten Färbung seit Jahrhunderten für dekorative Zwecke verwendet. In der modernen medizinischen Diagnostik dienen sie seit vielen Jahren als Nachweisreagenzien in Schwangerschaftstests oder in Schnelltests zum Nachweis von Infektionskrankheiten.

Werden ligandenstabilisierte Gold-Nanopartikel unter Bildung dünner Filme hergestellt, so entsteht ein elektrisch leitfähiges Kompositmaterial. Der Ladungstransport durch diese Materialien beruht auf dem Tunneln von Elektronen zwischen benachbarten Nanopartikeln. Verursachen äußere Einflüsse eine Variation der Partikelabstände, so reagiert das Material mit einer hochempfindlichen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaft gehen zahlreiche Forschungsgruppen weltweit der Frage nach, wie sich mithilfe dünner Nanopartikelfilme hochempfindliche chemische und physikalische Sensoren realisieren lassen. Am Fachbereich Chemie der Universität Hamburg erforscht die Arbeitsgruppe um Dr. Tobias Vossmeyer im Rahmen des Graduiertenkollegs 2536 und weiterer von der DFG geförderten Projekten diese Thematik.

In der nun publizierten Studie demonstrieren die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit der von ihnen entwickelten Drucksensoren. Darüber hinaus stellen sie ein neuartiges Messverfahren vor, das die elektromechanische Charakterisierung von Nanopartikelmembranen mit bisher unerreichter Präzision ermöglicht. Dabei wird die Nanopartikelmembran durch eine Druckdifferenz verformt und die damit verbundene Membrandehnung mittels Rasterkraftmikroskopie bestimmt. Gleichzeitig wird die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit gemessen. Die mit dieser Methode erhaltenen Datensätze ermöglichen nun neue Einblicke in das einzigartige elektromechanische Verhalten dieser hochinteressanten Materialklasse.