Sprengstoffe mit schwarzem Silizium erkennen

Kaum reist man mit der großen Spiegelreflex-Kamera und mit ein paar lichtstarken Objektiven in Urlaub, geht es beim Sicherheitscheck zur Sache: Das dickwandige Gehäuse aus Aluminium gewährt nur unzureichende Einblicke – die Röntgenstrahlung bei der Kontrolle hat vergleichsweise wenig Energie. Schon folgt ein Test auf Sprengstoffe.

Denn wer mit explosiven Substanzen hantiert, hinterlässt Spuren am Koffer oder an Geräten. Sicherheitspersonal wischt mit einem Teststreifen über Oberflächen und über die Hände. Anschließend untersuchen Hochgeschwindigkeits-Gaschromatographen die Probe in 15 bis 18 Sekunden. Sie sollen Mengen ab 100 Piktogramm detektieren. Besteht dann noch Unsicherheit, kommen Hunde zum Einsatz.

Das Prozedere kostet Zeit; Sicherheitskontrollen entwickeln sich zum Nadelöhr der Passagierabfertigung. Deshalb haben australische und russische Wissenschaftler einen hochempfindlichen Sensor auf Basis von schwarzem Silizium entwickelt. Ihr Gerät ist in der Lage, Spuren von Nitroaromaten zu erkennen und kann zur Identifizierung der meisten Sprengstoffe oder hochgiftigen Schadstoffe für medizinische und forensische Untersuchungen eingesetzt werden.

Behandlung der Oberfläche macht Silizium empfindlich

Der neuartige Sensor basiert auf schwarzem Silizium. Was verbirgt sich dahinter? Diese Oberflächenmodifikation kristallinen Siliziums ist seit Mitte der 1980er-Jahre bekannt. Durch chemisches Ätzen, durch den Beschuss mit hochenergetischen Ionen oder ultrakurzen Laserpulsen entstehen nadelförmige Strukturen auf der Oberfläche. Sie verringern die Reflexion von Licht stark. Das Material ist deshalb nicht mehr metallisch glänzend, sondern schwarz.

Die Forscher arbeiteten mit einem chemischen Ätzverfahren; sie setzten Sauerstoff und Schwefelhexafluorid ein. Nach dem Ätzen wurde die Oberfläche mit einer Monoschicht aus Carbazol-Molekülen bedeckt. Dieser Prozess wird als chemische Funktionalisierung bezeichnet, da gebundene Moleküle dem Substrat neue Eigenschaften verleihen: nämlich die Fähigkeit, Nitroaromaten an der Oberfläche zu binden und zu konzentrieren. Die Carbazol-Monoschicht macht das Gerät empfindlich gegenüber so weit verbreiteten, in Sprengstoffen vorhandenen Chemikalien wie Nitrobenzol, o-Nitrotoluol, 2,4-Dinitrotoluol oder ähnliche Molekülen. Er reagiert jedoch nicht auf – zumindest unter pyrotechnischen Aspekten – harmlose Stoffe wie Benzol, Toluol, Tetrachlormethan, Methanol, oder Ethanol.

Aus dem Detektor und weiteren elektronischen Komponenten entwickelten die Forscher eine Sensorplattform. Sie identifiziert Nitroaromaten, indem sie Veränderungen im Lumineszenzspektrum von Carbazol registriert. Das klingt kompliziert. Zur Auswertung ist aber nur ein Computer mit der Steuersoftware erforderlich – Ingenieurwissen braucht man nicht.

Extrem variabler Messbereich bei hoher Empfindlichkeit

Bei den Tests zeigten sich weitere, äußerst wünschenswerte Eigenschaften: Nanostrukturiertes, schwarzes Silizium, das als Basis für das Gerät verwendet wird, besitzt eine hohe Empfindlichkeit und einen beispiellosen dynamischen Messbereich. Im Labor ist der Sensor in der Lage, Informationen über das Vorhandensein von verdächtigen Molekülen in Flüssigkeiten oder Gasen zu liefern.

„Die Kombination einzigartiger morphologischer und optischer Eigenschaften von schwarzem Silizium zusammen mit einfach zu implementierenden Methoden der Oberflächenchemie ermöglichte eine bisher unerreichte Empfindlichkeit“, fasst Alexander Mironenko zusammen. Er forscht am Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences in Wladiwostok. Mironenko: „Unser Sensor ist in der Lage, nitroaromatische Verbindungen in Konzentrationen bis in den PPT-Bereich, also Parts per Trillion, nachzuweisen.“ Ein extrem breiter dynamischer Messbereich wird durch die einzigartige, „stachelige“ Morphologie von schwarzem Silizium verursacht. Das führt zur ungleichmäßigen Verteilung von Carbazol-Molekülen – und damit zu unterschiedlich empfindlichen Stellen auf der Oberfläche.

Einsatz auch in der Umwelttechnik denkbar

Den Wissenschaftlern zufolge sollte die Herstellung der neuen Plattform im Vergleich zu etablierten Technologien recht günstig sein. Darüber hinaus kann der gleiche Sensor mehrfach verwendet werden.

Die Einsatzmöglichkeiten beschränken sich keineswegs auf Gepäck- oder Personenkontrollen. „Nitroaromatische Verbindungen sind in Abwässern von Lackieranlagen oder Militäranlagen zu finden und stellen eine große Gefahr für die Umwelt dar“, erklärt Alexander Kuchmizhak von der Far Eastern Federal University in Wladiwostok. Damit sei der Nachweis eine wichtige Aufgabe: sowohl, um Kontaminationen aufzuspüren, als auch, um zu sehen, ob Industriebrachen erfolgreich saniert worden sind. Die neue Technologie eignet sich ebenfalls für Gassensoren, um Kontaminationen in der Luft aufzuspüren.

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