Goldene Zeiten für Sensoren
Gold-Nanodrähte ermöglichen den Bau flexibler, empfindlicher und vielseitig einsetzbarer Drucksensoren.
Gold ist nicht nur als Wertanlage attraktiv. Seine guten elektrischen Eigenschaften, gepaart mit seiner mechanischen Flexibilität, machen es auch für andere Anwendungen interessant. Zu feinen Nanodrähten gesponnen ermöglicht es nun auch den Bau sensibler Drucksensoren. Ein internationales Forscherteam an der Monash University im australischen Clayton hat eine einfache und kostengünstige Methode entwickelt, biegsame und universell einsetzbare Drucksensoren auf Basis solcher Gold-Nanodrähte herzustellen.
Abb.: Mit den Gold-Nanodrähten wird ein Gewebepapier imprägniert und dann zwischen zwei Kunststofffolien gespannt. Das Ergebnis ist ein flexibler, sparsamer und sensibler Drucksensor, der sich etwa als Pulsmesser einsetzen lässt. (Bild: W. Cheng, S. Gong)
Dazu verwendeten die Forscher ultradünne Nanodrähte mit einem Durchmesser von gerade einmal zwei Nanometern – vergleichbar der typischen Breite von Polymerketten. Mit einem Streckungsgrad von über 10.000 waren die Nanodrähte im Schnitt einige Dutzend Mikrometer lang. Die Nanodrähte gaben die Wissenschaftler in eine konzentrierte Lösung, in die sie dann ein Gewebepapier tunkten, das sie anschließend trocknen ließen. Diesen Prozess wiederholten sie rund zehn Mal, bis die Oberfläche des Papiers mit Gold-Nanodrähten imprägniert war, was sich auch in der dunkleren Farbe widerspiegelte.
Wie sowohl optische als auch Rasterelektronenmikroskopie ergaben, hatten sich die Nanodrähte gleichmäßig auf dem Papier verteilt. Das Papier kleideten die Forscher dann zwischen zwei 500 Mikrometer dünne Lagen Polydimethylsiloxan. Die untere Lage dieses Polymers war glatt; in die obere hatten die Forscher Elektroden eingearbeitet, die den elektrischen Kontakt herstellten.
Abb.: Der Sensor spricht auf ganz unterschiedliche Signale an: Oben der menschliche Pulsschlag, unten die Vibrationen eines Lautsprechers. (Bild: S. Gong et al.)
Je nachdem, welche Kraft auf den Sensor wirkte, veränderte sich das Spannung, die durch die Elektroden floss. Dies liegt daran, dass sich bei jeder Art von Verformung die Anzahl an Nanodrähten verändert, die mit den Elektroden in Kontakt gerät. Bei einer Betriebsspannung von nur 1,5 Volt benötigen die Sensoren gerade einmal 30 Mikrowatt Leistung.
Dieser einfache Aufbau lässt sich für sehr unterschiedliche Anwendungen nutzen. Wie die Forscher zeigen konnten, kann man die Sensoren dank ihrer Flexibilität zur Pulsmessung am Handgelenk einsetzen. Die Signale zeigten deutlich nicht nur die Geschwindigkeit des Herzschlags, sondern konnten auch die Amplitude mit hoher Präzision auflösen. Aber auch zur Messung akustischer Signale erwiesen sich die Sensoren als geeignet.
Die Forscher konnten auch unterschiedliche mechanische Belastungen anhand des elektrischen Profils ablesen. So zeigten Druck, Biegen, Verwinden und akustische Vibrationen unterschiedliche Spannungsverläufe. Damit bieten sich solche Sensoren auch zur Überwachung technischer Geräte oder für zukünftige Technologien wie etwa sensible Roboterhände an. Eine weitere Möglichkeit wären druckempfindliche Bildschirme. Da sich der Produktionsprozess einfach hochskalieren lässt, gehen die Forscher von geringen Produktionskosten aus.
Dirk Eidemüller
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