Neuer Verbundwerkstoff als CO₂-Sensor

Materialwissenschaftler der ETH Z¨¹rich und des Max-Planck-Instituts f¨¹r Kolloid- und Grenzfl?chenforschung in Potsdam entwickelten einen neuartigen Sensor, der Kohlendioxid (CO₂) messen kann. Er ist viel kleiner, einfacher konstruiert und braucht sehr viel weniger Energie als bestehende Sensoren, von denen er sich im Funktionsprinzip komplett unterscheidet. Der neue Sensor besteht aus einem neuentwickelten Verbundwerkstoff, der mit CO₂-Molek¨¹len wechselwirkt und in Abh?ngigkeit der CO₂-Konzentration in der Umgebung seine Leitf?higkeit ?ndert. Die ETH-Wissenschaftler haben mit dem Material Sensor-Chips gebaut, mit denen sie mit einer einfachen Messung des elektrischen Widerstands die CO₂-Konzentration eruieren k?nnen.

Grundlage des Verbundwerkstoffs sind kettenf?rmige Makromolek¨¹le (Polymere), die sich aus bestimmten Salzen zusammensetzen. Diese Salze heissen ?ionische Fl¨¹ssigkeiten? und sind bei Umgebungstemperatur fl¨¹ssig und leitf?hig. Die daraus hergestellten Polymere haben den f¨¹r Laien irref¨¹hrenden Namen ?polyionische Fl¨¹ssigkeiten? ¨C obschon sie nicht fl¨¹ssig, sondern fest sind.

Unerwartete Eigenschaften

Aus unterschiedlichen Beweggr¨¹nden ¨C darunter die Batterieforschung und die CO₂-Speicherung ¨C  untersuchen Wissenschaftler weltweit derzeit diese polyionischen Fl¨¹ssigkeiten. Aus dieser Forschung ist bekannt, dass polyionische Fl¨¹ssigkeiten CO₂ adsorbieren k?nnen. ?Wir fragten uns, ob wir diese Eigenschaft ausn¨¹tzen k?nnten, um Informationen ¨¹ber die CO₂-Konzentration in der Luft zu erhalten und damit einen neuen Typ von Gassensoren zu entwickeln?, sagt Christoph Willa, Doktorand am Laboratorium f¨¹r Multifunktionsmaterialien.

Erfolgreich waren Willa und Dorota Koziej, Oberassistentin am selben Laboratorium, schliesslich, indem sie die Polymere mit bestimmten anorganischen Nanopartikeln mischten, die ebenfalls mit CO₂ wechselwirken. Aus den beiden Materialien stellten die Wissenschaftler einen Verbundwerkstoff her. ?Weder das Polymer noch die Nanopartikel einzeln sind elektrisch leitend?, sagt ETH-Doktorand Willa. ?Doch als wir die beiden Komponenten in einem bestimmten Verh?ltnis mischten, nahm die Leitf?higkeit rapide zu.?

Chemische Ver?nderungen im Material

Nicht nur dies verbl¨¹ffte die Wissenschaftler. Auch waren sie ¨¹berrascht, dass die Leitf?higkeit des Verbundwerkstoffs bei Umgebungstemperatur CO₂-abh?ngig ist. ?Bisher bekannte, sogenannte chemoresitive Materialien zeigen diese Eigenschaft erst ab einer Temperatur von mehreren hundert Grad Celsius?, so Dorota Koziej. Aus bisherigen chemoresistiven Materialien gebaute Sensoren mussten deswegen auf eine hohe Betriebstemperatur geheizt werden. Beim neuen Verbundwerkstoff ist dies nicht n?tig, was die Anwendung deutlich erleichtert.

Wie die CO₂-abh?ngige Ver?nderung der Leitf?higkeit zustande kommt, ist noch nicht im Detail gekl?rt. Die Wissenschaftler fanden jedoch Hinweise darauf, dass es an der Grenzfl?che zwischen den  Nanopartikeln und des Polymers auf der Nanometer-Skala zu chemischen Ver?nderungen kommt, wenn CO₂-Molek¨¹le anwesend sind. ?Wir vermuten, dass diese Effekte die Mobilit?t der geladenen Teilchen im Material ver?ndern?, so Koziej.

Atemluftmessger?te f¨¹r Taucher

Mit dem neuen Sensor k?nnen die Wissenschaftler die CO₂-Konzentration in einer grossen Bandbreite messen: von der Konzentration in der Erdatmosph?re von 0,04 Volumenprozent bis zu 0,25 Volumenprozent.

Bestehende CO₂-Messger?te funktionieren meist optisch und nutzen die Tatsache, dass CO₂ Infrarotlicht absorbiert. Im Vergleich mit diesen Ger?ten k?nnen nach Angabe der Forschenden mit dem neuen Material sehr viel kleinere, portable Ger?te entwickelt werden, die ausserdem weniger Energie ben?tigen. ?Denkbar sind etwa portable Ger?te zur Atemluftmessung f¨¹r Taucher, Extrembergsteiger oder medizinische Anwendungen?, so Koziej.