Nano-Thermometer zum Aufsprühen

  • 09. April 2015

Metallorganische Nano-Komplexe emittieren spezifisches Lumineszenz-Spektrum nach Anregung mit UV-Licht.

Um Temperaturen genau zu messen, nutzt man zahlreiche Material­eigenschaften von der thermischen Ausdehnung, über den elektrische Widerstand bis zur Wärme­strahlung. Auch Lumineszenz-Spektren etwa von Metallen lassen sich als exakter Maßstab für Temperatur­änderungen heranziehen. Dieses Prinzip nutzt nun ein neues Nanothermometer, dass Forscher an der portugiesischen Universität Aveiro entwickelt haben. Sie synthetisierten metall­organische Komplexe, die als winzige Temperatursonden über einen weiten Mess­bereich sehr genaue Daten liefern konnten.

Abb.: Nanothermometer unter dem SEM: Diese winzigen Partikel dienen als hoch empfindliche Temperatursonden. (Bild: Z. Wang et al., CICECO)

Abb.: Nanothermometer unter dem SEM: Diese winzigen Partikel dienen als hoch empfindliche Temperatursonden. (Bild: Z. Wang et al., CICECO)

Das Team um Zhuopeng Wang vom Zentrum für Material­forschung an der Universität Aveiro verwendeten eine spezielle Sprühtrockung, um die lumineszierenden Nanoteilchen herzustellen. Dabei sprühten sie eine Lösung mit kleinen Anteilen an Terbium, Europium und Phenylen­di­essig­säure (PDA) durch eine feine Düse. Bei einer Umgebungs­temperatur von 453 Kelvin konglomerierten diese Bestand­teile zu den gewünschten, sphärischen Nanoteilchen, die daraufhin zwölf Stunden lang getrocknet wurden.

In weiteren Versuchen analysierten Wang und Kollegen das Lumineszenz-Verhalten dieser Nanoteilchen. Nach einer Anregung mit UV-Licht bei 365 Nanometern lenkten sie das Lumineszenz­licht der Nanoteilchen über Lichtleiter auf ein konventionelles Spektro­meter. Mit diesem nahmen sie Spektren über einen weiten Temperatur­bereich zwischen 10 und 325 Kelvin auf.

Abb.: Messprinzip des Nanothermometers: Nach einer Anregung mit einem UV-Laser emittieren die Nanopartikel Luminenzlicht. Eine Spektralanalyse zeigt eine sehr große Temperaturabhängigkeit. (Bild: Z. Wang et al., CICECO)

Abb.: Messprinzip des Nanothermometers: Nach einer Anregung mit einem UV-Laser emittieren die Nanopartikel Luminenzlicht. Eine Spektralanalyse zeigt eine sehr große Temperatur­abhängigkeit. (Bild: Z. Wang et al., CICECO)

Vor allem im Wellen­längen­bereich zwischen 300 und 500 Nanometern zeigten die metall­organischen Komplexe mehrere signifikante Emissions­signale, die auf strahlenden Elektronen-Übergängen von Terbium und Europium beruhten. Eine genaue Analse dieser Emissions­spektren zeigte, dass sie sich bei unterschiedlichen Temperaturen signifikant änderten. So bildeten sie die Basis für eine Mess­genauigkeit von bis zu einem fünfzigstel Grad bei 25 Kelvin.

Mit dem verwendeten Sprüh­trocknungs­verfahren ließen sich nach Aussage der Forscher auch größere Mengen der Nanoteilchen relativ problemlos herstellen. Diese Teilchen könnten dann in unterschiedlichen Proben von Biologen, Material­forschern oder Chemikern als Sonden verteilt werden, um genaue Temperatur­daten mit einer hohen räumlichen Auflösung erhalten zu können. Wegen der geringen Größe der Teilchen gehen die Forscher davon aus, dass mit dieser Methode nahezu nichtinvasive Messungen ohne nennens­werte Verfälschungen möglich werden.

Jan Oliver Löfken

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