01.04.2015, 14:59 Uhr | 0 |

Von Tabakpflanzen lernen Mit Cyberholz Temperaturen hundertmal genauer messen

Schweizer Forscher haben ein neuartiges Material geschaffen: Cyberholz – eine Synthese aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Tabakpflanzenzellen. Der Clou: Cyberholz reagiert empfindlicher als jedes bekannte Thermometer auf Temperaturschwankungen.

Tabakblätter
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Aus den Zellen von Tabakpflanzen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben Schweizer Forscher ein neues Material geschaffen, dass sie Cyberholz nennen. Es soll sensibler auf Temperaturschwankungen reagieren als jedes bekannte Thermometer.

Foto: Patrick Pleul/dpa

Für den Schweizer Forscher Raffaele Di Giacomo ist die Disziplin der Bionik nur ein Zwischenschritt auf dem Weg zu völlig neuen Materialien und Anwendungen. Er hat das Cyberholz geschaffen, ein Material, in dem winzige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff in die Zellen von Tabakpflanzen wachsen. Das Ergebnis ist das empfindlichste Thermometer der Welt, wie Di Giacomo jetzt im Fachmagazin PNAS schreibt. „Bei keinem anderen Sensor führen so geringe Temperaturschwankungen zu so großen Änderungen der Leitfähigkeit, unser Sensor reagiert mindestens hundertmal stärker als die besten existierenden Sensoren“, erklärt der Postdoktorand an der ETH Zürich. 

Pflanzen sind sehr temperatursensitiv

Pflanzen haben eine ganze Reihe von hochentwickelten Wahrnehmungsfähigkeiten. Das ist für sie überlebenswichtig. Weil sie nicht weglaufen können, sind sie darauf angewiesen, Änderungen in der Umgebung frühzeitig wahrzunehmen. Daher erkennen sie zum Beispiel bereits sehr geringe Temperaturunterschiede und reagieren darauf, indem sie die Leitfähigkeit ihrer Zellen ändern. Di Giacomo experimentierte mit Tabakzellen in einer Zellkultur. „Wir stellten uns die Frage, wie wir diese Zellen in ein lebloses, trockenes Material überführen können, und zwar auf eine Weise, dass ihre temperatursensitiven Eigenschaften erhalten bleiben.“

Kombination aus Nanoröhrchen und Tabakzellen brachte den Erfolg

Das gelang ihm, als er die Zellen in einem Medium wachsen ließ, das sehr kleine Röhrchen aus Kohlenstoff enthielt. Diese Nanoröhrchen aus Kohlenstoff sind elektrisch leitend. Sie bilden ein Netzwerk zwischen den Tabakzellen und konnten deren Zellwand durchdringen.

Diesen Zwitter aus Tabakzellen und Nanoröhrchen trocknete Raffaele Di Giacomo. Im Ergebnis erhielt er ein holzähnliches festes Material, das elektrisch leitend ist. Dieses Cyberholz ist wie die lebenden Tabakzellen extrem temperaturempfindlich.

Beweglichkeit der Ionen steigt mit höheren Temperaturen

Die Züricher Forscher untersuchten auch den Wirkmechanismus dieses neuen Materials. Es sind Pektine, also Zuckermoleküle, die in der Zellwand von Pflanzen vorkommen und sich zu einem Gel vernetzen können. Diese Vernetzung ist temperaturabhängig. Gleichzeitig sind in diesem Gel auch Kalzium- und Magnesium-Ionen vorhanden. „Mit zunehmenden Temperaturen nimmt die Vernetzung der Pektine ab, das Gel wird weicher, und die Ionen können sich freier bewegen“, erklärt Di Giacomo das Prinzip seines Pflanzenthermometers. Durch die freier beweglichen Ionen leitet das Cyberholz bei höheren Temperaturen den Strom besser.

Einsatz als berührungsloser Touchscreen angefacht

Der Sensor aus dem Cyberholz kann warme Körper sogar auf Distanz erkennen, zum Beispiel eine menschliche Hand, die sich dem Sensor auf wenige Dutzend Zentimeter nähert. Dabei hängt die Leitfähigkeit des Sensors direkt von der Distanz der Hand zum Sensor ab. Raffaele Di Giacomo denkt nun schon eifrig über technische Anwendungsmöglichkeiten für sein Cyberholz nach.

Ganz weit vorne in den Denkspielen ist ein berührungsloser Touchscreen, der sich rein über Gesten steuern lässt. Auch äußerst sensible Wärmebildkameras oder Nachtsichtgeräte sind für ihn als Anwendungen denkbar. 

Im nächsten Schritt Sensor ohne Pflanzenzellen konstruieren 

Vorsorglich ist der Sensor zum Patent angemeldet. Im nächsten Schritt will Raffaele Di Giacomo ihn nun so weiterentwickeln, dass er nicht mit Pflanzenzellen, sondern im Prinzip nur mit Pektin und Ionen funktioniert. Dadurch soll es möglich werden, einen beweglichen, lichtdurchlässigen und biokompatiblen Sensor mit derselben hohen Temperaturempfindlichkeit wie das Cyberholz zu konstruieren.

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Von Detlef Stoller
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