Neuer Sensor identifiziert Gase genauer mit einem "Blitzerkamera"-System
Modulare Plattform für vielfältige Anwendungen: Früherkennung von Diabetes und Leckagen in der Chemieindustrie sowie Frischeüberwachung von Obst und Gemüse
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Von der Atemanalyse bis zur Sprengstoffdetektion: Diese Anwendungen erfordern zuverlässige elektronische "Nasen". Leider ist die derzeitige Technologie oft unzureichend. Deshalb haben Forscher der KU Leuven eine flexible Sensorplattform entwickelt, die nicht nur Gase aufspürt, sondern auch deren Geschwindigkeit aufzeichnet - wie ein Blitzer. Die Technologie, die in Nature Communications veröffentlicht und inzwischen patentiert wurde, misst, wie schnell sich Moleküle durch ein spezielles Nanomaterial bewegen. Dies eröffnet eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten.
Herkömmliche chemische Sensoren messen in der Regel, wie viel von einer bestimmten Substanz an einer Oberfläche haftet. Die Luft enthält jedoch Hunderte von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), oft in geringen Konzentrationen und alle miteinander vermischt. Erschwerend kommt hinzu, dass Wasserdampf oft tausendmal häufiger vorkommt als die Zielsubstanzen, so dass es für viele Sensoren schwierig ist, genaue Messungen vorzunehmen. Die Folge: geringe Zuverlässigkeit und Präzision.
Die neue Sensorplattform der KU Leuven verwendet metallorganische Gerüste (MOFs): Materialien mit einem Netzwerk von Nanoporen, die alle genau die gleiche Größe haben. Diese wirken wie molekulare Blitzer. Wenn sich Gasmoleküle bei einer leicht erhöhten Temperatur durch die Poren bewegen, tun sie dies je nach ihrer Struktur mit unterschiedlichen, spezifischen Geschwindigkeiten. Diese Geschwindigkeit wirkt wie ein Fingerabdruck. Durch die Messung der Geschwindigkeit können die Forscher zwischen verschiedenen Gasen unterscheiden, selbst unter schwierigen Bedingungen, bei denen herkömmliche Sensoren versagen.
Skalierbare Plattform
Das Besondere an dem Ansatz der KU Leuven ist, dass es sich um eine skalierbare Plattform handelt. Indem wir das metallorganische Gerüst anpassen, können wir den Sensor auf bestimmte Gase zuschneiden, ohne die zugrunde liegende Technologie zu verändern", erklärt Verstreken. Das System bleibt kompakt, energieeffizient und hochleistungsfähig. Selbst in feuchten Umgebungen oder bei komplexen Gasgemischen und niedrigen Konzentrationen übertrifft es die Leistung handelsüblicher elektronischer Nasen".
Die spezifische Sensorstruktur wurde zum Patent angemeldet, denn es gibt ein breites Spektrum an möglichen Anwendungen für diese Technologie. Man denke nur an einen Atemtest zur Früherkennung von Diabetes. Oder das Aufspüren von Lecks in der chemischen Industrie und von Fehlern in Lithium-Ionen-Batterien, die Überwachung der Luftqualität in Innenräumen oder im Freien oder die Verfolgung der Frische von Obst und Gemüse im Lager. Selbst versteckte Sprengstoffe oder Drogen lassen sich mit dieser Technologie schneller und genauer aufspüren. Aufgrund seines modularen Aufbaus kann der Sensor an jede Aufgabe angepasst werden: Wählen Sie die richtigen MOFs, und die Plattform sorgt dafür, dass er funktioniert.
Es handelt sich nicht um einen Sensor, der für eine bestimmte Aufgabe gebaut wurde, sondern um eine modulare Plattform", betont Verstreken. Durch die Auswahl des richtigen MOFs oder einer Kombination von MOFs kann man den Sensor auf die gewünschte Aufgabe zuschneiden. Dank dieser Flexibilität eignet sich unsere Plattform für eine breite Palette von Sektoren, vom Gesundheitswesen bis zur Sicherheit.
Erkennung
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Mit dieser Forschung hat Margot Verstreken auch die belgische Ausgabe von Falling Walls, einem internationalen Wettbewerb für Wissenschaftskommunikation, gewonnen. Im November wird sie Belgien beim Weltfinale in Berlin vertreten, wo sie gegen junge Forscher aus über hundert Ländern antritt.
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Originalveröffentlichung
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