Nanotechnologie für neuartige Gas- und Photoniksensoren
Anders als bei Materialien in Reinform hängen die Eigenschaften von Nanomaterialien oft von deren Größe und Form ab, da ein großer Anteil der Atome an der Oberfläche liegt. Ein gegebenes Material kann in verschiedenen Nanoformen wie etwa Nanopartikeln, Nanodrähten, Nanobändern oder Nanoröhren und in verschiedenen Größen hergestellt werden. Auch Struktur und Zusammensetzung in den Nanoformen können sich völlig von der Reinform unterscheiden. So ebnete das von der EU finanzierte Projekt NPS4FM (Nanomaterial photonic sensors for food manufacturing) neue Wege zur weiteren Erforschung des Einsatzes von Nanomaterialien für Sensoren in verschiedenen Anwendungsbereichen. Den Wissenschaftlern gelang die erfolgreiche Herstellung von aus Zinndioxid, Zinkoxid (ZnO), Cadmiumoxid (CdO) und Cadmiumsulfid (CdS) bestehenden Nanostrukturen unterschiedlicher Morphologie mittels Laserablation in Flüssigkeiten. In einigen Fällen wandte das Team eine Oberflächentechnik zum Hinzufügen einer Passivierungsschicht gegen Korrosion an. Mittels Laserbestrahlung von Lösungen aus flüssigen Ausgangsstoffen synthetisierten die Wissenschaftler verzweigte CdS-Nanodrähte von 24 nm Durchmesser und Quasi-Einkristall-CdS-Nanokästchen (Nanobox). Bei beiden CdS-Nanostrukturen handelt es sich um die kleinsten CdS-Systeme, über die jemals berichtet wurde. Deren einzigartige Morphologie, große Oberfläche und spezifischen Hochenergieaspekte lassen diese Nanostrukturen als geeignet für Photokatalysatoren erscheinen. Diese ungewöhnlichen Morphologien und die spezifische Kristallitausrichtung von CdS- und CdO-Nanoflocken wurden ausreichend wirksam eingesetzt, um neue Gassensoren mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität gegenüber Isopropanol und Diethylether zu erschaffen. Man entwickelte überdies poröse Siliziumkarbidkeramiken, die möglicherweise in Gassensoren oder als Katalysatorträger Einsatz finden können. Unter Anwendung eines einfachen einstufigen Syntheseverfahrens stellten die Forscher verschiedene ZnO- und dotierte ZnO-Nanokristalle her, deren Größen deutlich unter 10 nm lag und die eine einheitliche Größenverteilung hatten. Das Team hat bewiesen, dass dieses neue Verfahren auf einfache Weise aufskaliert werden kann, wodurch sich die Möglichkeit bietet, verschiedene Nanokristalle herzustellen, die nach der Aufbereitung in einem neuen Lösungsmittel effizient als Tinten zum Rotationsbeschichten (Spin-coating) oder in Druckern verwendet werden können. Nach experimentellem Rumprobieren mit Kohlenstoffpunkten gelang es den Wissenschaftlern erstmalig, deren Emissionseigenschaften zu steuern. Dank des Einsatzes bestimmter Verfahren zum Oberflächen-Engineering erzielte das Team aus diesen Kohlenstoffpunkten rotes, blaues und grünes Leuchten. Die einfache Herstellung sowie die einzigartigen optischen Eigenschaften lassen diese Nanopartikel als nutzbar in Leuchtdioden, Vollfarbanzeigen und bei gemultiplexter biologischer Bildgebung (Bioimaging) erscheinen. NPS4FM gelang die erfolgreiche Synthese einer Anzahl von Nanomaterialien mit industriellen Anwendungen von hohem Stellenwert. Über alle zukunftsweisenden experimentellen Projektaktivitäten und Erkenntnisse wurden in von Experten begutachteten Zeitschriften berichtet.
Schlüsselbegriffe
photonische Sensoren, gedruckte elektronische Bauelemente, Nanomaterialien, NPS4FM, Gassensoren, Kohlenstoffpunkte, carbon dots
