Molekularer optischer Drucksensor

  • 10. July 2018

Wasserlösliche Verbindung macht präzise Druckmessungen in Lösung möglich.

Chemiker der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Universität Montreal (Kanada) haben ein molekulares System entwickelt, das sehr genaue optische Druck­messungen ermöglicht. Als Inspiration dafür diente der Edelstein Rubin. Allerdings handelt es sich bei dem Material, das in der Gruppe von Katja Heinze am Institut für anorganische Chemie und analytische Chemie entwickelt wurde, um ein wasser­lösliches Molekül und nicht um einen unlöslichen Fest­stoff wie der bekannte Edelstein. Dieses Molekül enthält aber wie Rubin das Element Chrom, das ihm die rote Farbe verleiht, und wird daher auch molekularer Rubin genannt.

Abb.: Molekularer Rubin in fester (rot) und gelöster (gelb) Form kann berührungs­frei den Druck messen. (Bild: S. Otto, JGU)

Abb.: Molekularer Rubin in fester (rot) und gelöster (gelb) Form kann berührungs­frei den Druck messen. (Bild: S. Otto, JGU)

Der molekulare Rubin kann wie der Rubin selbst im Fest­körper Druck messen, aber darüber hinaus dank seiner Löslich­keit auch in Lösungen. Somit eröffnet dieses molekulare System Anwendungs­möglichkeiten in der Material­wissenschaft, der homogenen und heterogenen Katalyse und in allen Feldern, wo Druck­änderungen über­wacht werden müssen.

Der Vorgang der Druckmessung mit dem molekularen Rubin ist denkbar einfach. Die betreffende Stelle wird mit blauem Licht bestrahlt, der molekulare Rubin absorbiert dieses Licht und sendet daraufhin Infrarot­strahlung aus. Je nach Druck ändert sich die Energie des ausgesendeten Lichts in empfindlicher Weise. Anhand dieser Energie kann der vorherrschende Druck abgelesen werden.

Die anspruchsvollen Druck­experimente bis zu 45.000 bar hat Sven Otto, Doktorand aus der Arbeits­gruppe Heinze, in den Laboren der Gruppe von Christian Reber an der Universität Montreal durchgeführt. Der Forschungs­aufenthalt von Sven Otto war von der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ) finanziert worden. „Die experimentellen Untersuchungen in Montreal waren eine groß­artige Erfahrung und der schluss­endliche Erfolg der Experimente einfach fantastisch“, schwärmt Sven Otto. „Die höchsten Drücke, die wir in einer sogenannten Diamant­stempel­zelle gemessen haben, sind etwa 45 Mal höher als der Druck an der tiefsten Stelle des Ozeans“, erläutert Otto. „Die sehr großen Effekte, die wir erzielt haben, sind über­wältigend“, ergänzt Christian Reber, ein Experte der Lumineszenz­spektroskopie bei hohen Drücken und derzeit ein vom DAAD geförderter Gast­wissenschaftler an der JGU. Tatsächlich sind die Effekte bis zu zwanzig Mal stärker als die des Edelsteins Rubin.

Das Prinzip der optischen Druckmessung mit Chrom­verbindungen war bereits zuvor bekannt. Jedoch sind alle diese Verbindungen, wie der Rubin selbst, unlöslich. Somit waren optische Druck­messungen in einer Lösung mit einer einzigen Art von gelösten Molekülen bislang nicht möglich. „Unser molekular Rubin jedoch beherrscht dieses Kunst­stück", sagt Katja Heinze. „Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse den Weg für völlig neue Anwendungen über die klassischen Anwendungen hinaus, zum Beispiel in der homogenen Katalyse oder in biologischen Systemen, ebnen werden. Wir arbeiten auch genau in diese Richtung weiter“, fügt Heinze hinzu.

JGU / DE

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