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Mikroskopisch kleine 3D-gedruckte Sensoren erkennen gefährliche Gase und Dämpfe

Von der EU unterstützte Forschende konnten mit Erfolg winzige Gassensoren 3D-drucken, welche die bei Pfauen zu beobachtenden Mechanismen des Farbwechsels nachahmen. Die Sensoren reagieren optisch auf in Wohnbereichen, am Arbeitsplatz und in Fahrzeugen vorhandene Spuren von Gas.

Grundlagenforschung
Gesundheit

Bestimmte Sensortypen detektieren und erkennen verschiedene Arten gefährlicher Schadstoffe, etwa giftige oder explosive Gase. Einige von ihnen messen außerdem die Gaskonzentration. Da wir den größten Teil des Tages zu Hause, am Arbeitsplatz oder im Auto verbringen, sollte eine zuverlässige und kosteneffiziente Überwachung der Schadstoffkonzentration unsere allgemeine Gesundheit und unser Wohlbefinden verbessern. Ein wissenschaftliches Team des irischen Trinity College Dublin (TCD) und des von der Science Foundation Ireland finanzierten und am TCD untergebrachten Forschungszentrums AMBER (Advanced Materials and BioEngineering Research) hat entdeckt, wie winzige farbwechselnde Gassensoren hergestellt werden können. Bei der Realisierung dieser bahnbrechenden Entdeckung setzten die Forschenden neue Materialien und eine hochauflösende Variante des 3D-Druckens ein. Die im Rahmen der teilweise EU-finanzierten Projekte ChemLife und 5D NanoPrinting gewonnenen Erkenntnisse wurden kürzlich im „Journal of Materials Chemistry C“ veröffentlicht.

Wenn intelligente Chemie auf intelligentes Design trifft

Die 3D-gedruckten, mikroskopisch kleinen Gassensoren können in Echtzeit überwacht und dem Nachweis von Lösungsmitteln dienen, die in der Luft Dämpfe erzeugen. Werden Lösungsmitteldämpfe eingeatmet, können sie Husten, Schwindelanfälle und Kopfschmerzen verursachen. Diese Sensoren gelten als eine vielversprechende Lösung für den Einsatz in Haushalten, wo sie als vernetzte, kostengünstige Geräte agieren können. Außerdem ist es auch vorstellbar, sie in tragbare Geräte zur Überwachung unserer Gesundheit zu integrieren. In einer Pressemitteilung des Trinity College Dublin erklärt Hauptautor Dr. Colm Delaney von dem das Projekt ChemLife koordinierenden Fachbereich Chemie des TCD und AMBER-Forschungsstipendiat, dass das Team die Innovation „durch den Einsatz des Direkt-Laserschreibverfahrens“ realisieren konnte, „das es uns erlaubt, einen Laser auf einen extrem kleinen Punkt zu fokussieren und ihn dann dazu zu verwenden, um aus den von uns im Labor entwickelten weichen Polymeren winzige dreidimensionale Strukturen zu erzeugen.“ Die Forschung konzentrierte sich auf das Design, die Modellierung und die Herstellung dieser winzigen Strukturen aus auf Anregungen reagierenden Materialien. Das Team entwickelte erste Entwürfe und prognostizierte die Reaktion verschiedener Strukturen. Mitautorin Louise Bradley, Photonikprofessorin am TCD, erläutert, dass das Team die Strukturen dazu bringen kann, „auf Licht, Wärme und Feuchtigkeit zu reagieren, damit Systeme entstehen, die tatsächlich die Lebendigkeit, die Reaktionen auf und die Fähigkeit zur Tarnung, wie sie in der Natur vorkommen, nachbilden können. Die winzigen reaktionsfähigen Arrays, die kleiner als eine Sommersprosse sind, können uns enorm viel über die Chemie ihrer Umgebung verraten.“

Schadstoffe schlimmer als gedacht

Mitautorin Dr. Larisa Florea vom Fachbereich Chemie und AMBER legt einige aufschlussreiche Statistiken über Schadstoffe in unseren Wohnungen, Büros und Autos vor. „Modelle deuten darauf hin, dass die Schadstoffkonzentrationen überall 5- bis 100-mal höher als im Freien sein können. Dieser Gedanke ist erschreckend, wenn wir bedenken, dass der Weltgesundheitsorganisation zufolge 90 % der Weltbevölkerung in Gebieten lebt, in denen die zulässigen Luftqualitätsgrenzwerte überschritten werden. Diese Schadstoffwerte können durch die Umgebungsluft, vorhandene Chemikalien, Duftstoffe, die Lebensmittelqualität und Aktivitäten des Menschen beeinflusst werden und wirken sich tiefgreifend auf unsere Gesundheit aus.“ Dr. Florea fasst zusammen: „Bisher stand bei Gassensoren für Innenräume fast ausschließlich die Erkennung von Leckagen, Rauch und Kohlendioxid im Mittelpunkt. Auch sukzessive Fortschritte bei einer in Echtzeit erfolgenden Erfassung der relativen Luftfeuchtigkeit, des Sauerstoffgehalts, des Kohlendioxids, der flüchtigen organischen Kohlenstoffe und des Ammoniaks könnten eine enorme Rolle bei der Entwicklung eines Ökosystems für die Überwachung der häuslichen Umgebung spielen. Damit könnte sichergestellt werden, dass der Überwachung von Gesundheit und Wohlbefinden beim Bau und bei der Automatisierung der Wohnungen der Zukunft hohe Priorität eingeräumt wird.“ Das Projekt ChemLife (Artificial micro-vehicles with life-like behaviour) läuft noch bis September 2023. Das Projekt 5D NanoPrinting (Functional & Dynamic 3D Nano- MicroDevices by Direct Multi-Photon Lithography) wird im August 2024 enden. Weitere Informationen: Projekt ChemLife Projekt 5D NanoPrinting

Schlüsselbegriffe

ChemLife, 5D NanoPrinting, Sensor, Gas, Dampf, Schadstoff, Lösungsmittel, Gesundheit

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