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Materialforschung

Die kleinste künstliche Nase der Welt

Das gab es noch nie: 16 auf einem Mikrochip befestigte Nano-Sensoren sollen die Luftgüte oder den Atem messen.
Das gab es noch nie: 16 auf einem Mikrochip befestigte Nano-Sensoren sollen die Luftgüte oder den Atem messen.[ MCL/Köck ]
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Zu viel gefährliches Kohlenmonoxid im Raum? Zu viel Ozon in der Stadt? Leobener Forscher haben einen Mikrochip mit unterschiedlichen Nano-Sensoren bestückt, die Gase in bisher ungekannter Genauigkeit wahrnehmen.

Was für ein Geruchserlebnis! Der bunte Blumenstrauß am Wohnzimmertisch duftet herrlich, dazu die Tasse mit dem – noch dampfenden – Kaffee und der frisch gebackene Marillenkuchen. Der Mensch soll dank seiner Rezeptoren viele Milliarden Duftstoffe unterscheiden, wenn auch nicht benennen, können. „Die menschliche Nase ist genial“, sagt auch der am Material Center Leoben (MCL) tätige Physiker Anton Köck. Was sie allerdings nicht kann, ist, aus dem Gemisch unzähliger Aromen in der Umwelt einzelne Stoffe herauszufiltern oder gar zu quantifizieren. Dazu braucht der Mensch Maschinen.

Doch auch diese haben ihre Grenzen. „Die bisher am Markt erhältlichen Sensoren können Gase nicht sauber trennen“, schildert Köck. „Viele funktionieren in trockener Umgebung sehr gut, aber nicht, wenn die Luft feucht ist.“ Oder die Sensoren reagieren auf unterschiedliche Gase gleich. Das kann speziell bei giftigen Stoffen heikel werden. Außerdem sollen die Sensoren möglichst klein und günstig sein, damit man sie künftig in einem Handy einbauen kann.

Denn die Idee ist, dass jede und jeder die Luftqualität im Umfeld selbst kontrollieren kann. „Möbel oder Putzmittel geben schädliche Stoffe wie Formaldehyd ab. Bei zu hohem CO2-Anteil im Schlafzimmer schläft man unruhig oder kann Herzrhythmusstörungen bekommen. Und wenn bei defekten Gasthermen Kohlenmonoxid austritt, passieren immer wieder schwere Unfälle“, sagt Köck.

Winzig, aber verlässlich

All diesen Herausforderungen begegneten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im vom steirischen Leoben aus koordinierten und von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG finanzierten Projekt „FunkyNano“. Projektleiter Köck und seine Kooperationspartner – die Forschungsgesellschaft Joanneum Research, die Fraunhofer-Gesellschaft und der Halbleiterhersteller ams – drangen dazu mit bekannten Materialien in neue, winzige Dimensionen vor. Sie brachten 16 Nano-Sensoren aus Metalloxiden auf einem eigens entwickelten Mikrochip auf.

„Noch nie wurden so viele Sensoren auf einem so kleinen Chip integriert“, sagt Köck – dieser misst gerade einmal vier mal fünf Millimeter. Die Sensorschicht ist mit einer Dicke von 50 Nanometern tausendmal dünner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Das Ziel: „Ein Nano-Material ,riecht‘ CO2, ein weiteres Ozon, ein drittes Kohlenmonoxid“, erklärt Köck. Die Kunst sei gewesen herauszufinden, welche Nano-Partikel funktionieren, um ein Gas zuverlässig zu bestimmen.
Dazu griffen die Forscher in die Schatzkiste. Seltene Metalle wie Gold, Platin oder Palladium wurden genauso getestet wie günstigere Verbindungen wie Eisenoxid. Die Materialien wurden – in unterschiedlicher Kombination und Konzentration – mittels Spraypyrolyse als Lösung aufgesprüht, durch eine chemische Reaktion bildete sich ein dünner Film. „Wir haben die Sensoren mit unterschiedlichen Nano-Partikeln beschichtet und geschaut, was worauf besonders empfindlich reagiert“, sagt Köck.