De productie van zeer gevoelige sensoren is een complex proces:het vereist veel stappen en de bijna stofvrije omgeving van speciale cleanrooms. Een onderzoeksteam van Materials Science aan de Kiel University (CAU) en van Biomedical Engineering aan de Technische Universiteit van Moldavië heeft nu een procedure ontwikkeld om extreem gevoelige en energiezuinige sensoren te produceren met behulp van 3D-printen. De eenvoudige en voordelige productiemethode is ook geschikt voor industriële productie, legde het team onlangs uit in het gerenommeerde vakblad Nano-energie . Hun voeler, die ze hier presenteren, kan de concentratie van acetondamp nauwkeurig meten met behulp van een speciale structurering op nanoniveau. Omdat de acetonconcentratie in de adem correleert met de bloedsuikerspiegel, het onderzoeksteam hoopt hiermee een stap te hebben gezet in de richting van een ademtest voor diabetici die de dagelijkse controle van hun bloedsuikerspiegel door vingerprikken zou kunnen vervangen.

Groter oppervlak maakt sensor gevoeliger

Het speciale oppervlak van de nieuwe sensoren is zichtbaar onder een hoge resolutie elektronenmicroscoop:moleculen van gassen zoals aceton raken bijzonder gemakkelijk verstrikt in een struikgewas van nanodraden met een diameter van slechts 20 nanometer. De nanodraden/spikes vergroten het sensoroppervlak en creëren zo een hoge gevoeligheid. "Om deze speciale structuur te maken, verhitten we eenvoudige microdeeltjes van metaal totdat zich er talloze fijne nanodraden en nanospikes op vormen. Met een speciaal ontwikkelde inkt kunnen we deze deeltjes met een 3D-printer nauwkeurig op verschillende oppervlakken aanbrengen, " zei Leonard Siebert, uitleggen wat bekend staat als 'Direct Ink Writing'. Als promovendus in de werkgroep Functionele Nanomaterialen van de CAU, hij doet onderzoek naar additieve productietechnologieën zoals 3D-printen, onder andere.

Veelzijdige procedure voor aceton en andere gassen

Door hun speciale sensorconcept, het geautomatiseerde 3D-printproces dat in het onderzoek wordt gepresenteerd, kan worden uitgevoerd in normale omgevingslucht. Op deze manier, binnen enkele minuten worden meerdere sensoren tegelijk aangemaakt, iets wat vroeger een paar uur duurde in cleanrooms. Ook kan het uitgangsmateriaal gericht gevarieerd worden, grootte en structuur veranderen en de detectie van een bepaald gas mogelijk maken. "Dit is nog eerst en vooral, basis onderzoek, maar dit principe zou in de toekomst kunnen worden gebruikt om sensoren voor waterstof of andere explosieve en gevaarlijke gassen te ontwikkelen, "Professor Rainer Adelung, hoofd van de werkgroep aan de Universiteit van Kiel, is ervan overtuigd.

De metaaldeeltjes als uitgangsmateriaal voor de sensoren moeten een bepaalde grootte hebben om de speciale draden en nanospikes te vormen. "De juiste hoge verhouding tussen oppervlakte en volume is cruciaal, " verklaarde Dr. Oleg Lupan van Biomedical Engineering aan de Technische Universiteit van Moldavië. Als Humboldt-fellow, hij heeft dit proces een half jaar onderzocht als onderdeel van de werkgroep in Kiel. Wat gunstig is voor de gevoeligheid van de sensoren blijkt een uitdaging te zijn als het gaat om hun productie:terwijl kleinere deeltjes gemakkelijk op oppervlakken kunnen worden aangebracht met behulp van gevestigde technieken zoals sproeien of vacuümverdampingssystemen, de hier gebruikte microdeeltjes zijn daarvoor al te groot. "Om deze reden, we overwogen het gebruik van 3D-printers om de microdeeltjes aan te brengen, " zei materiaalwetenschapper Siebert. "De kennis van materialen en apparaten van collega's van de Technische Universiteit van Moldavië en onze ervaring in nanomaterialen en 3D-printen vullen elkaar hier perfect aan."

Energie-efficiëntie maakt mobiele toepassingen mogelijk

Wanneer organische moleculen de talrijke draden in de voltooide sensor ontmoeten, ze reageren sterk op elkaar. Door het zo te doen, ze veranderen de weerstand van de sensor en geven duidelijk meetbare signalen af. In principe, echter, slechts een zeer kleine hoeveelheid elektriciteit gaat door de dunne draden. "Dus onze sensoren gebruiken maar heel weinig energie, " legt Lupan uit. "Hierdoor zijn kleine draagbare meettoestellen denkbaar, te, die direct via smartphone kan worden uitgelezen, bijvoorbeeld."

De onderzoekers hopen dat dit toekomstig gebruik van de sensoren in mobiele, draagbare ademtests voor diabetici. In plaats van hun bloedsuikerspiegel meerdere keren per dag met een vingerprik te controleren, diabetici konden het acetongehalte van hun adem meten. Het stofwisselingsproduct ontstaat bij een tekort aan insuline en wordt via de adem uitgestoten. De zeer gevoelige sensoren konden acetonwaarden van minder dan 1 ppm (deeltjes per miljoen luchtmoleculen) bepalen, rapporteerde de studie, terwijl de adem van mensen met diabetes type I of II een acetongehalte heeft van meer dan 2 ppm.