20.08.2021 • Nanophysik

Smartes Mikropartikel spürt defekte Teile in Elektrogeräten auf

Optisches Signal gibt Auskunft über seine thermische Vergangenheit.

Die steigende Komplexität von Objekten wie beispiels­weise Elektro­geräten mit immer kleineren Bauteilen stellt die Reali­sierung einer ressourcen­effizienten Herstellung und Verwendung vor eine große Heraus­forderung. Der Ausfall kleinster Subkompo­nenten kann schnell zu einem Defekt von größeren Modulen oder eines ganzen Geräts führen. Aufgrund der oft komplexen und zeit­auf­wändigen Fehler­suche sind Reparatur­maß­nahmen teuer und meist ökonomisch nicht sinnvoll. Zudem wurden bis heute noch keine effi­zienten Recycling­verfahren für komplexe Geräte entwickelt. Dadurch fallen derzeit jährlich erhebliche Menge an Elektro­schrott an und eine Vielzahl wert­voller und seltener Ressourcen gehen verloren. Die Arbeits­gruppe von Karl Mandel an der Uni Erlangen-Nürnberg hat jetzt ein smartes Mikro­partikel entwickelt, das in der Lage ist, per Lumineszenz Auskunft über seine Identität und seine thermische Vergangen­heit zu geben.

Abb.: Die Funktio­na­li­täten der smarten Partikel er­geben sich durch...
Abb.: Die Funktio­na­li­täten der smarten Partikel er­geben sich durch ge­schickte Kom­bi­na­tion von drei leuch­ten­den Nano­partikel-Bau­steinen in einer be­stimmten Struk­tur und einem ge­eig­neten Mengen­ver­hält­nis zu einer grö­ßeren Ein­heit. (Bild: J. Reich­stein, FAU)

Das Team arbeitet seit langem an Supra­partikeln, die als Additive in Objekte integriert werden können und durch ihre optischen oder magnetischen Eigen­schaften Informa­tionen, wie ihre Identität oder schädliche Umwelt­einflüsse, über­mitteln können. Das entwickelte Supra­partikel ist zwischen einem und zehn Mikro­metern groß und besteht aus einer Kombi­nation organischer und anorganischer Nano­partikel-Bausteine.

Diese lumines­zierenden Signal­elemente leuchten unter Anregung mit Schwarz­licht blau, grün oder rot. Damit lassen sich ihre Signale unabhängig von­ein­ander spektral auslesen. Alle Signal­elemente lassen sich mit einfachen apparativen Methoden in Wasser synthe­ti­sieren.

Die beiden Funktio­na­litäten der smarten Partikel ergeben sich jedoch erst, wenn die drei leuchtenden Nano­partikel-Bausteine in einer bestimmten Struktur und einem geeigneten Mengen­verhältnis zu einer größeren Einheit kombiniert werden. Dafür werden zunächst rot und grün leuchtende, anorganische Nano­partikel in definierten Mengen­verhält­nissen mittels Sprüh­trocknung in einem Mikro­partikel vereint.

Die entstehenden Partikel werden einer Temperatur­behandlung unter­zogen, die ihre Leucht­signale stabil gegenüber weiteren Temperatur­schwankungen macht. Anschließend werden in einem zweiten Sprüh­trocknungs­prozess blau leuchtende, organische Nano­partikel auf der Ober­fläche der zuvor herge­stellten Mikro­partikel angebracht. Die blauen Signal­elemente sind sensitiv für Temperatur­erhöhung und zeigen die Über­schreitung einer bestimmten Grenz­temperatur durch einen spezifischen, irrever­siblen Abfall ihrer Signal­intensität an.

Damit entstehen nach drei Prozess­schritten aus drei leuchtenden Nanopartikel-Bausteinen „kommuni­zierende“ Supra­partikel. Aus der kombinierten Signal­antwort dieser Supra­partikel lassen sich unter Anregung mit nur einer einzigen Wellen­länge zwei Funktio­na­litäten ablesen. Die Identität der Partikel ergibt sich aus dem Signal­verhältnis der grün und rot leuchtenden Nanopartikel-Bausteine. Die maximale Temperatur, der die Partikel in ihrem Lebens­zyklus ausgesetzt waren, lässt aus dem Signal­verhältnis der blau und grün leuchtenden Nano­partikel ablesen.

Aufgrund ihres modularen Aufbaus nach einem Baukasten­prinzip sind beide Funktio­na­litäten nahezu beliebig einstellbar, um unter­scheidbare Identitäts­signale oder Temperatur­indikatoren produkt­spezifisch mit hoher oder niedriger Empfind­lich­keit gegenüber Temperaturen herzu­stellen. Damit können in einem skalier­baren Verfahren maßge­schneiderte, smarte Additive hergestellt werden, um selbst kleinste Produkt­komponenten durch die Integration der Supra­partikel in intelligente Objekte zu verwandeln.

FAU / RK

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