Sensoren aus der Sprühdose

Cambridge (USA) - Schwärme winziger Sensoren könnten in Zukunft eingeatmet oder in Blutbahnen injiziert werden. Das Ziel: Schnellere und verlässlichere Diagnosen von Krankheiten. Auf diesem Weg zu Sensoren aus der Sprühdose gelang nun amerikanischen Forschern ein wichtiger Schritt. Sie bauten aus zweidimensionalen Materialien Mikrometer kleine Sensorchips, die in der Luft versprüht zuverlässig Rußpartikel und einzelne chemische Substanzen nachweisen und das Messergebnis sogar elektronisch speichern konnten. Ihren „Smart Dust“-Ansatz für „intelligenten Staub“, der auch Verunreinigungen in Pipelines oder in der Luft analysieren könnte, erläutern sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“.

„Dank zweidimensionaler Materialien blieben unsere Module beim Versprühen stabil und funktionierten auch mit sehr geringen elektrischen Spannungen“, sagt Volodymar Koman vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Gemeinsam mit seinen Kollegen deponierte er extrem dünne Schichten aus Molybdändisulfid, Wolframdieselenid, Silber und Gold auf eine flexible Kunststoffunterlage. Über mehrere Arbeitsschritte mit lithografischen Methoden entstanden so elektronische Module mit Sensor, Photodiode als Stromquelle und Memristor als digitale Speichereinheit. Diese Module lösten sie nach der Produktion von einem Substrat ab und verteilten sie gleichmäßig in einer Flüssigkeit.

Mit einem Zerstäuber verteilten Koman und Kollegen diese Module in einem gläsernen, etwa 60 Zentimeter langem Zylinder. Senkrecht zur Flugrichtung der Module injizierten sie Rußpartikel oder wässrige Tröpfchen mit Ammoniak oder dem Lösungsmittel Triethylamin. Trafen diese Substanzen auf ein Modul, dockte einzelne Partikel an die Sensoreinheit an und veränderten dessen elektronischen Eigenschaften. Am hinteren Ende des Glaszylinders trafen die Module auf eine Kollektorfläche, an der sich haften blieben.

Beim Andocken der nachzuweisenden Substanzen reduzierte sich der elektrische Widerstand der Sensoreinheit. Zum Auslesen dieser Information tasteten die Forscher die Kollektorfläche mit einem Laserstrahl ab. Die Photodiode in jedem Modul erzeugte dabei einen winzigen Stromfluss. Dieser reichte aus, um den im Modul integrierten Memristor zu einem digitalen Schaltprozess anzuregen. War nun während des Flugs ein Ruß- oder Ammoniakteilchen eingefangen worden, schaltete der Memristor in einen Zustand mit geringem elektrischen Widerstand. Ohne eingefangenes Teilchen blieb der Widerstand jedoch unverändert groß. Genau dieser Unterschied ließ sich während des Abtastens mit dem Laser Modul für Modul messen. Alle Messdaten zusammen ergaben einen genauen Wert für die Ruß- oder Ammoniak-Konzentration.

Dieses Experiment belegt, dass fein versprühte Module als elektronische Sensoren für chemische Substanzen prinzipiell geeignet sind. Bevor diese Module eingeatmet oder gar in Blutbahnen injiziert werden könnten, müssen sie allerdings noch deutlich schrumpfen. Parallel ist es notwendig, eine gute Verträglichkeit für den Patienten ohne nennenswerte Nebenwirkungen zu belegen. Technische Anwendungen dieser Sensoren aus der Sprühdose etwa für Schadstoffmessungen in der Luft oder in Gaspipelines könnten wahrscheinlich schon früher möglich werden.