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© Hanna Pazniak, UDE
© Hanna Pazniak, UDE

Neuartiger Sensor detektiert Wassermoleküle bei kleinsten Konzentrationen Genauer geht nicht!

[18.10.2021]

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Duisburg-Essen und der Staatlichen Technischen Universität Juri Gagarin in Saratow haben einen Sensor entwickelt, der Wassermoleküle erkennt, die auf seine Oberfläche sinken. Basis des Sensors sind MXene, zweidimensionale anorganischen Verbindungen, die aus nur wenige Atome dicken Schichten von Übergangsmetallcarbiden und -nitriden bestehen.

Die relative Luftfeuchtigkeit wird zu einem wichtigen Faktor, der komfortable und sichere Umgebungsbedingungen in der biomedizinischen Verarbeitung der Mikroelektronik und der Gesundheitsüberwachung definiert und moderne Geräte zu seiner präzisen Kontrolle erfordert. Kommerzielle Sensoren, die auf voluminösen Materialien basieren, sind jedoch nicht in der Lage, sehr niedrige H2O-Konzentrationen (< 50 ppm) zu erkennen, was den Einsatzbereich der Sensoren erheblich einschränkt.

Ein Team von Wissenschaftler:innen der Universität Duisburg-Essen (Deutschland) und der Staatlichen Technischen Universität Juri Gagarin in Saratow (Russland) geht dieses Problem mit einer völlig neuen Strategie an. Sie verwenden zweidimensionale nanometrische Materialien, die in der Lage sind, kleinste Mengen Wassermoleküle zu erkennen, die auf ihre Oberfläche sinken. „Auf diese Weise verbessert sich die Sensorleistung enorm – die Nachweisgrenze wird weit unter den bisherigen Stand der Technik verschoben. Mehr geht eigentlich nicht.“, freut sich die Erstautorin Hanna Pazniak. Sie ist seit Oktober 2020 an der UDE und forscht eigentlich zu magnetischen MAX-Phasen im Sonderforschungsbereich/Transregio 270 – „Hysterese-Design magnetischer Materialien für effiziente Energieumwandlung“ in Teilprojekt B02. Die Entwicklung des neuen Sensors ist ein gutes Beispiel dafür, wie Forschung in kurzer Zeit auf andere Gebiete übertragen werden kann.

Die Schlüsselrolle spielten MXene - eine neue Klasse von zweidimensionalen Übergangsmetallcarbiden und -nitriden. Es werden Mo2CTx MXenes verwendet, die ein riesiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen. Die entworfenen Sensoren zeigen eine höhere Empfindlichkeit als andere MXene gegenüber H2O-Dämpfen – mit einer Nachweisgrenze von 10 ppm, was der niedrigste bisher bekannte Wert ist. Eine hohe Reproduzierbarkeit und eine Langzeitstabilität für mindestens 6 Monate sind weitere Eigenschaften, die für den Serieneinsatz Voraussetzung sind.

Insgesamt versprechen die herausragenden Eigenschaften der entwickelten Mo2CTx MXene viele mögliche Anwendungen, bei denen eine exakte Hygrometrie Voraussetzung ist. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der angesehenen Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht (https://doi.org/10.1002/adma.202104878).

Foto: Rasterelektronen-Mikroskopie einer Multilage Mo2CTx MXene.

Weitere Informationen:
Dr. Hanna Pazniak, Fakultät für Physik, hanna.pazniak@uni-due.de
Prof. Dr. Ulf Wiedwald, Fakultät für Physik, ulf.wiedwald@uni-due.de