Technologie

Sensor für geringste Wassermengen

22.10.2021 - Hauchdünne, zweidimensionale Materialien steigern die Empfindlichkeit enorm.

Die Luft­feuchtigkeit zu messen ist in vielen Bereichen wichtig. Herkömmliche Sensoren in Hygro­metern schaffen es bislang jedoch nicht, einen sehr niedrigen Wasser­dampfgehalt zu bestimmen. Physikerinnen und Physiker der Universität Duisburg-Essen (UDE) und der Technischen Universität Juri Gagarin im russischen Saratow haben nun einen neuen Sensor entwickelt. Er erkennt selbst kleinste Mengen Wassermoleküle, die auf seine Oberfläche sinken. Basis des Detektors sind hoch­leitfähige MXene.

Eine gute Raumluft ist nicht nur für die Gesundheit wichtig. Auch in der Produktion oder im Labor, etwa in der Biomedizin oder in der Mikro­elektronik, braucht es bestimmte Umgebungs­bedingungen. Diese müssen sich genau kontrollieren lassen. In kommerziellen Messgeräten sind zwar leistungs­fähige Feuchte­sensoren verbaut, aber Wasserdampf­konzentrationen unter 0,3 Prozent relative Luftfeuchte, können sie nicht erkennen. Solche Sensoren eignen sich folglich nicht für alle Zwecke.

Dieses Problem sind die Forschenden nun mit einer völlig neuen Strategie angegangen. Sie verwendeten zwei­dimensionale nano­metrische Materialien. Diese können kleinste Mengen an Wasser­molekülen erkennen, die auf ihre Oberfläche sinken. „Auf diese Weise verbessert sich die Sensorleistung enorm – die Nachweis­grenze wird weit unter den bisherigen Stand der Technik verschoben. Mehr geht eigentlich nicht!“, freut sich Hanna Pazniak, die maßgeblich an der Entwicklung beteiligt war. 

Diese hochleit­fähigen MXene, genauer: Mo2CTx MXene, bestehen aus Verbindungen von Übergangs­metallcarbiden und Übergangs­metallnitriden. Die Verbindungen sind zu Schichten gestapelt und nur wenige Atome dick. Der Vorteil: Die neuen Sensoren sind hauchdünn und hoch­empfindlich. „Sie weisen Wasser­dämpfe bis 0,06 Prozent relative Luftfeuchte. Das ist der niedrigste bisher bekannte Wert“, sagt Pazniak. Die Sensoren sind auch in einem anderen Punkt vielver­sprechend: Sie können serienmäßig eingesetzt werden.

UDE / JOL

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