Effizientes Nanoröhrchen erkennt Sauerstoff mit Licht
Ein von der ETH Zürich entwickelter Sensor hat den richtigen Riecher für Sauerstoff. Das Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann selbst kleinste Mengen davon mit Hilfe von Licht aufspüren.
Dieses winzige Nanoröhrchen ist in der Lage, kleinste Mengen Sauerstoff in Gasgemischen aufzuspüren.
Foto: Bezdek Group / ETH Zürich
Forschende der ETH Zürich haben einen neuartigen Sauerstoffsensor entwickelt, der auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen basiert. Das Besondere: Er arbeitet lichtaktiviert und kann kleinste Mengen Sauerstoff in komplexen Gasgemischen zuverlässig nachweisen. Dank seiner kompakten Bauweise, geringen Stromaufnahme und hohen Selektivität eignet sich der Sensor für den mobilen Einsatz in Industrie, Medizin und Umweltüberwachung. Die Forschenden planen nun, das Prinzip auf weitere Gase auszuweiten.
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Sauerstoff messen ist eine Herausforderung
Sauerstoff ist ein elementarer Bestandteil unserer Atmosphäre und spielt in zahlreichen industriellen und medizinischen Prozessen eine entscheidende Rolle. Präzise Messungen sind essenziell für die Analyse von Verbrennungsprozessen, die Überwachung von Atemluft oder die Qualitätssicherung in der Lebensmittelproduktion. Auch in der Umweltüberwachung wird Sauerstoff zunehmend als Indikator für die Gewässer- und Bodenqualität genutzt.
Bisherige Sauerstoffsensoren sind jedoch oft teuer, sperrig und energieintensiv. Sie eignen sich daher kaum für mobile Anwendungen oder den dauerhaften Einsatz im Freien. Hier kommt das Forschungsteam der ETH Zürich ins Spiel, denn es hat eine Technologie entwickelt, die diesen Nachteilen entgegenwirkt: einen lichtaktivierten Sensor auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Ein kompakter Sensor für viele Einsatzmöglichkeiten
„Herkömmliche Messmethoden gehen oft Kompromisse ein“, erklärt Lionel Wettstein, Doktorand an der ETH Zürich und Erstautor der Studie. Manche Sensoren sind zwar hochsensitiv, werden aber durch Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit gestört oder verbrauchen viel Strom. Andere sind widerstandsfähiger, aber weniger genau und oft kostspielig. Die Neuentwicklung der ETH soll diese Probleme lösen.
Der Sensor ist nicht nur besonders empfindlich, sondern auch selektiv: Er kann Sauerstoff selbst in einem Gemisch aus Millionen anderer Moleküle zuverlässig nachweisen. Zudem ist er kompakt, energieeffizient und langlebig. Das macht ihn besonders interessant für mobile Anwendungen wie die Echtzeitüberwachung von Luftqualität oder die Analyse von Autoabgasen. Auch in der Lebensmittelindustrie könnte er eingesetzt werden, um verdorbene Produkte frühzeitig zu erkennen.
Nanotechnologie für präzise Sauerstoffmessungen
Der Sensor basiert auf einem Chemiresistor-Prinzip. Dabei ändert sich der elektrische Widerstand eines Materials, wenn es mit einem bestimmten Gas in Kontakt kommt. „Der große Vorteil ist, dass sich dieses Signal ganz einfach messen lässt“, sagt Mát Bezdek, Professor für funktionelle Koordinationschemie an der ETH Zürich.
Als Sensormaterial wählte das Forschungsteam einen Verbund aus Titandioxid und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Titandioxid ist ein bewährter Chemiresistor, benötigt jedoch hohe Temperaturen für eine effektive Reaktion. Die Integration der Nanoröhrchen ermöglicht es, den Sensor bei Raumtemperatur zu betreiben.
Eine zusätzliche Optimierung wurde durch die Nutzung von Farbstoffsolarzellen-Prinzipien erreicht. Hierbei sorgen spezielle Moleküle, sogenannte Fotosensibilisatoren, für die Lichtaktivierung des Sensors. Unter grünem Licht überträgt der Sensibilisator Elektronen auf das Nanoröhrchen-Titandioxid-Gemisch und macht es spezifisch für Sauerstoff. „Sauerstoff behindert diesen Ladungstransfer und verändert so den Widerstand des Materials“, erklärt Wettstein.
Technologie soll auf weitere Gase ausgeweitet werden
Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet. Nun suchen die Forschenden Industriepartner, um den Sensor zur Marktreife zu bringen. Das wirtschaftliche Potenzial ist groß: Der Markt für Sauerstoffsensoren wird auf ein jährliches Volumen von 1,4 Milliarden US-Dollar geschätzt.
Zukünftig soll das Konzept auf weitere Gase erweitert werden. Besonders im Fokus stehen Schadstoffe auf Stickstoffbasis, die in der Landwirtschaft zur Überdüngung beitragen und die Umwelt belasten. „Unser Sensormaterial ist modular aufgebaut“ so Bezdek. „Wir wollen seine chemische Zusammensetzung so anpassen, dass auch andere Zielmoleküle nachgewiesen werden können.“ Damit könnte die Technologie langfristig dazu beitragen, den ökologischen Fußabdruck industrieller Prozesse zu reduzieren.
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