Kunststoffnase für empfindliche Sensoren
Entwicklung der Tohoku Universität - Schädliche Gase lassen Polymere zuverlässig aufquellen
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So sieht das Innere der Kunststoffnase aus (Foto: tohoku.ac.jp, Abdul Momin) |
Sendai/Chiba (pte006/02.04.2025/06:15)
Eine hochempfindliche Kunststoffnse von Forschern der Tohoku Universität und des japanischen Chemiekonzerns Mitsui Chemicals eignet sich besonders für hochspezialisierte Sensoren, die in der Raum- und Lebensmittelüberwachung eingesetzt werden.
Kristalle analysieren Spannungen
Dringen Gasmoleküle in einen solchen Sensor ein, diffundieren sie in den darin befindlichen Kunststoff und lassen diesen leicht aufquellen. Obwohl diese Ausdehnung minimal ist, erzeugt sie eine mechanische Spannung, die von winzigen, in Silizium eingebetteten piezoresistiven Sensoren erfasst wird.
Diese Sensoren bestehen aus einem Kristall, der Strom erzeugt, wenn er mechanisch belastet wird. Dieser Strom wiederum zeigt an, dass der Sensor ein bestimmtes Gas "erschnüffelt" hat.
Spektrum an Gasen wird erkannt
"Wir haben vier verschiedene Polymere ausgewählt - Polyolefin, Fluorkohlenstoff, Acrylharz und Aminopolymer - jedes mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften, um sicherzustellen, dass unsere Sensoren ein breites Spektrum an Gasen erkennen kann, von Wasserdampf über Ethanol bis hin zu komplexen organischen Dämpfen", so Abdul Momin von der Tohoku Universität.
"Jedes Polymer hat seinen eigenen Geruchssinn, der auf die Erkennung bestimmter Moleküle abgestimmt ist. Zusammen bilden sie ein robustes Array, das mehrere Gase gleichzeitig genau identifiziert", ergänzt Momin.
Bei Tests haben die Entwickler diese Sensoren verschiedenen Gasgemischen ausgesetzt und ahmten so reale Szenarien wie Feuchtigkeitsschwankungen, Ethanol-Dämpfe oder Gemische nach, die Reinigungsalkohol ähneln. Jedes Polymer reagierte wie erwartet anders und erzeugte für jedes Gas oder Gasgemisch ein einzigartiges Signalmuster, eine Art Fingerabdruck.
Sensoreinsatz im Alltag denkbar
Durch die Anwendung der sogenannten Hauptkomponentenanalyse, eine statistische Technik, die die verschiedenen Ströme, die die piezoresistiven Kristalle erzeugen, lassen sich unterschiedliche Gase und sogar ihre unterschiedlichen Konzentrationen mit hoher Empfindlichkeit unterscheiden.
Der Sensor ist auch für den Alltag geeignet. Um dies zu demonstrieren, haben die Forscher ungekühlte Makrelenfilets sieben Tage überwacht. Während der Fisch allmählich verdarb, setzte die mikrobielle Aktivität charakteristische Gase frei. Die Sensoren verfolgten diese Veränderungen genau und lieferten präzise Infos über den Frischezustand beziehungsweise über den Grad der Verderbnis.
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