Forscher: Fäden aus Kunststoff sind empfindliche chemische Sensoren

Wenn ein dünner Strang aus Kunststoff zwischen die beiden Arme einer Stimmgabel gespannt wird, so verändert sich deren Schwingungsfrequenz. Amerikanische Forscher haben herausgefunden, dass sich auf diese Weise ein empfindlicher chemischer Sensor bauen lässt: Sobald organische Moleküle mit dem Faden in Berührung kommen, ändert sich dessen innere Spannung. Dadurch vergrößert sich die Amplitude der Schwingung der Gabel, berichtet das Team im Fachblatt Nano Letters.

Das Herzstück des von Salah Boussaad und Nong Jian Tao von der Universität von Arizona in Tempe entwickelten Sensors ist eine herkömmliche Stimmgabel aus Quarz, wie sie sich etwa in Armbanduhren findet. Wenn eine derartige Gabel vibriert, so wird eine elektrische Spannung erzeugt, die sich mit einem Messgerät nachweisen lässt. Um ihr Gerät in einen Sensor zu verwandeln, spannten die Forscher nun zunächst einen Kunststofffaden aus einer Nitrocelluloseverbindung zwischen die beiden Arme der Gabel ein.

Dadurch veränderte sich zum einen deren Schwingungsfrequenz, zum anderen auch die Amplitude der Schwingungen. Die Arme schwangen mit einem kleineren Ausschlag, da der Druck des Fadens eine zusätzliche Dämpfung bewirkte. Wenn allerdings organische Moleküle ? in dem Experiment aus Ethanoldampf ? an dem Faden vorbeizappelten, so lagerten sich einige an dessen Oberfläche an. Dadurch wurde die Spannung des Fadens herabgesetzt, und die Amplitude der Schwingung nahm wieder zu.

In ihrem Demonstrationsexperiment konnten Boussaad und Tao Ethanoldampf einer Konzentration von nur 15 ppm (Teilen in einer Million) nachweisen. Allerdings dauerte es einige Minuten, bis der Sensor den Dampf registriert hatte. Um dies zu verbessern, verkleinerten die Forscher den Durchmesser des Fadens von ursprünglich mehreren Mikrometern mittels eines Ionenstrahls auf nur 500 Nanometer. Dann konnten die Ethanolmoleküle schnell in den Faden hinein diffundieren und somit dessen Spannung innerhalb weniger Sekunden herabsetzen.

Der Faden-Sensor ist allerdings derzeit noch nicht selektiv ? er kann nicht zwischen organischen Molekülen verschiedener Art unterscheiden. In einem nächsten Schritt muss seine Oberfläche daher mit Erkennungspunkten versehen werden, die Moleküle einer genau bestimmten Sorte aus einer Gasmischung herauspicken können.

Stefan Maier