07.04.2022

Luftschadstoffe besser überwachen

Nanodraht-Chips eignen sich als empfindliche Sensoren.

Der Klimawandel kann der Gesundheit auf vielfältige Weise schaden. Viele Effekte sind noch nicht ausreichend verstanden. Das EU-geförderte Radical-Projekt könnte ein wichtiges Puzzle­teil liefern. Innovative Sensorik soll erstmals ein konti­nuierliches Monitoring freier Radikale in der Atmosphäre zulassen. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) gelang einem Forschungsteam nun der erste grundlegende Schritt: die Fertigung maßg­eschneiderter Nanodraht-Chips mit besonderen Sensor­eigenschaften. 

Abb.: Smogwolke über der Normandie. (Bild: G. Mannaerts, HZDR)
Abb.: Smogwolke über der Normandie. (Bild: G. Mannaerts, HZDR)

Freie Radikale beeinflussen unsere Luftqualität, Umwelt, Klima und Gesundheit. Aber in welchem Maße? Diese Frage könnten neue Sensoren aus dem euro­päischen Radical-Projekt demnächst beantworten. Bislang ist der Nachweis freier Radikale technisch höchst aufwändig und ihre Messung die Ausnahme. Die neue Sensor­technik könnte freie Radikale in der Atmosphäre zukünftig in Echtzeit überwachen und so verlässliche Daten schaffen, um ihre Auswirkung auf unsere Gesundheit und Umwelt besser einzuschätzen. Herzstück der Technologie sind wenige Quadrat­millimeter kleine Chips aus übergangs­freien Nanodraht-Transistoren.

Anders als konven­tionelle Nanodraht-Transistoren arbeiten diese Bauteile ohne Sperrschicht zwischen unterschiedlich strukturierten Halbleiter-Materialien. Dadurch erreichen sie unter anderem ein besonders gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis: eine wichtige Voraussetzung für das Aufspüren der flüchtigen Radikale. Als Teil einer elektronischen Nase erzeugen die Nanodrähte beim kleinsten Kontakt mit einem passenden Zielmolekül elektrische Signale mittels einer zusätzlichen, spezifischen Beschichtung. Eine Auslese­elektronik verarbeitet die Signale weiter – ähnlich wie das mensch­liche Gehirn Riechreize prozessiert und Gerüche erkennt und unterscheidet.

Über die letzten zwölf Monate opti­mierten die Dresdner Forschenden die Eigenschaften der Nanodraht-Chips für den Einsatz in den neuen Sensoren. Damit die Transis­toren Signale ausreichend sensitiv und ungestört verarbeiten, müssen die wenige Nanometer dünnen Drähte beispielsweise besonders glatte Oberflächen besitzen und geometrisch ideale Eigen­schaften haben. Für das optimale Design nutzen die Forscher daher Simulationen, die Smartcom, ein Radical-Industrie­partner in Bulgarien bereitstellt. „Das HZDR-Labor ist eines von wenigen Laboren weltweit, das derart dünne Nano­drähte präzise fertigen kann. Mit der Auslieferung der ersten Chips haben wir den ersten technischen Meilenstein erreicht. Jetzt können unsere Partner in Cork und York die Funktionalisierung der Bauteile angehen und die ersten Tests der Sensorik durchführen“, sagt Yordan Georgiev, Leiter der Nano­fabrikation am HZDR. Parallel optimieren er und seine Kollegen den Herstellungs­prozess weiter und bereiten Tests der Sensoren in gasförmigen Medien vor.

Die Erwartungen an die neuen Sensoren sind hoch, denn vor einigen Jahren haben einige der Forschungs­partner ähnliche Nanodraht-Chips bereits in Flüssig­keiten eingesetzt. „Wir konnten damals zeigen, dass wir eine heraus­ragende Sensitivität und Selektivität erreichen können“, sagt Georgiev. Darauf aufbauend nahmen sich die Forschenden vor, die hoch­empfindliche Technologie auch in Gasen zu erproben. Und an Partikeln, die dort besonders schwierig zu detektieren sind: freie Radikale. Die neuen elek­tronischen Sensoren sollen zukünftig so kostengünstig und flexibel einsetzbar sein, dass sie problemlos in bereits vorhandene, weltweit verteilte Messstationen zur Überwachung der Luftqualität und Atmo­sphäre integriert werden könnten. Langfristig könnten die Sensoren auch für andere Anwendungen angepasst werden und neben Radikalen weitere Gase in der Umgebungsluft hoch­empfindlich nachweisen und so einen Beitrag zum Erhalt unserer Gesundheit leisten.

HZDR / JOL

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