News: Spitzenleistung
Einmal mehr stellen winzige Kohlenstoff-Röhrchen ihre beachtlichen Fähigkeiten unter Beweis: Diesmal als Elektrode in einem empfindlichen Detektor für Gase.
© (Ausschnitt)
Ob verdrillt als ultrastarkes Garn, zum winzigen elektronischen Schaltelement verschweißt oder als Miniatur-Batterie für Herzschrittmacher, die Einsatzmöglichkeiten von Nanoröhrchen sind offenbar unbegrenzt. Dabei sind die Nanometer dicken und Mikrometer langen Gebilde aus Kohlenstoff eher unscheinbar. Doch offensichtlich sorgen gerade ihre Größe und die besondere molekulare Struktur – Nanoröhrchen sind im Prinzip nichts anderes als aufgerollte Lagen Graphit – für interessante physikalische Eigenschaften.
So erzeugt beispielsweise der geringe Krümmungsradius an den Enden der Röhrchen einen besonderen Effekt: Denn steht das Kohlenstoffgebilde unter Spannung, dann ist die elektrische Feldstärke an der Spitze besonders hoch. Aufgrund dieser Spitzenwirkung lassen sich aus den Nanoröhrchen besonders leicht Elektronen freisetzen. Wissenschaftler haben das bereits für eine Elektronenquelle im Elektronenmikroskop genutzt.
Auch Ashush Modi und seine Kollegen vom Rensselaer Polytechnic Institute im amerikanischen Troy bedienten sich des Spitzeneffekts der Nanoröhrchen. Jedoch ging es ihnen weniger um die Elektronen, welche die Röhrchen freisetzen, als vielmehr um den Effekt, den die Ladungsträger und das starke Spitzenfeld auf Gasmoleküle haben. Diese werden nämlich teilweise ionisiert und je nach Ladung zu einer der beiden Elektroden beschleunigt – eine Gasentladung wie in der Leuchtstoffröhre.
Die Idee der Forscher war es, anhand der elektrischen Kenndaten dieser Entladung einen Fingerabdruck des jeweiligen Gases zu nehmen. Dazu stellten sie zunächst eine kleine Messkammer her, die unten aus einer Elektrode bestand, die mit einem Feld aus Nanoröhrchen übersäht war und über der sich im Abstand von 150 Mikrometern die zweite Elektrode, eine Aluminium-Platte, befand. Zwischen den beiden Elektroden ließ sich eine Spannung im Bereich von einigen hundert Volt anlegen und der Strom im Fall der Entladung messen.
Die Art des Gases lässt sich dabei an der Durchschlagsspannung ablesen, denn diese ist charakteristisch für bestimmte Moleküle. Ganz ähnlich funktionieren bereits heute Ionisationssensoren zum Nachweis von Gasen. Allerdings ist zum Betrieb eine hohe Spannung von bis zu 1000 Volt notwendig. Die Apparatur mit den Nanoröhrchen funktionierte hingegen schon mit 350 Volt, und wie sich zeigte, ließ sich die Spannung sogar noch weiter reduzieren, wenn der Abstand zwischen Nanoröhrchen- und Metall-Elektrode entsprechend verringert wurde.
Sowohl Edelgase wie Helium und Argon, aber auch andere Bestandteile der Luft wie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid ließen sich auf diese Weise nachweisen. Auch Ammoniak entging dem Detektor nicht.
Und so wie die Durchschlagsspannung einen Fingerabdruck von Gasen lieferte, so gibt die Größe des Entladungsstroms Aufschluss über die Konzentration. Selbst bei Gemischen ließen sich die Bestandteile mit einer Genauigkeit von etwa einem Prozent auflösen, wobei die Reaktionszeit des Sensors im Vergleich zu anderen Detektoren sehr kurz war. Und damit sind die Vorteile des Systems noch nicht erschöpft, denn der Nanoröhrchen-Sensor macht auch im Dauerbetrieb eine gute Figur, da er sich nicht chemisch verändert, wie es bei anderen Sensoren geschieht. Weil die Betriebsspannung vergleichsweise gering ist, sind auch tragbare Sensorsysteme denkbar – der vielleicht größte Vorteil des neuen Detektors. Schließlich arbeitet das System auch weitgehend temperaturunabhängig und ist feuchtigkeitsresistent.
Obwohl es nicht unbedingt nötig ist, lässt sich der Sensor auch mit einem Gaschromatographen koppeln, der ein Gasgemisch vor der Messung auftrennt. Dadurch lässt sich die Nachweisgrenze des Geräts entsprechend verbessern. Erste Simulationstests der Forscher mit Helium als Trägergas deuten daraufhin, dass sich noch Gaskonzentrationen im ppm-Bereich (parts per million) aufspüren lassen – zwar nicht unbedingt ein Rekord, angesichts des geringen Aufwands für das Gerät und seiner kompakten Bauweise aber für mobile Nachweisgeräte durchaus interessant.
So erzeugt beispielsweise der geringe Krümmungsradius an den Enden der Röhrchen einen besonderen Effekt: Denn steht das Kohlenstoffgebilde unter Spannung, dann ist die elektrische Feldstärke an der Spitze besonders hoch. Aufgrund dieser Spitzenwirkung lassen sich aus den Nanoröhrchen besonders leicht Elektronen freisetzen. Wissenschaftler haben das bereits für eine Elektronenquelle im Elektronenmikroskop genutzt.
Auch Ashush Modi und seine Kollegen vom Rensselaer Polytechnic Institute im amerikanischen Troy bedienten sich des Spitzeneffekts der Nanoröhrchen. Jedoch ging es ihnen weniger um die Elektronen, welche die Röhrchen freisetzen, als vielmehr um den Effekt, den die Ladungsträger und das starke Spitzenfeld auf Gasmoleküle haben. Diese werden nämlich teilweise ionisiert und je nach Ladung zu einer der beiden Elektroden beschleunigt – eine Gasentladung wie in der Leuchtstoffröhre.
Die Idee der Forscher war es, anhand der elektrischen Kenndaten dieser Entladung einen Fingerabdruck des jeweiligen Gases zu nehmen. Dazu stellten sie zunächst eine kleine Messkammer her, die unten aus einer Elektrode bestand, die mit einem Feld aus Nanoröhrchen übersäht war und über der sich im Abstand von 150 Mikrometern die zweite Elektrode, eine Aluminium-Platte, befand. Zwischen den beiden Elektroden ließ sich eine Spannung im Bereich von einigen hundert Volt anlegen und der Strom im Fall der Entladung messen.
Die Art des Gases lässt sich dabei an der Durchschlagsspannung ablesen, denn diese ist charakteristisch für bestimmte Moleküle. Ganz ähnlich funktionieren bereits heute Ionisationssensoren zum Nachweis von Gasen. Allerdings ist zum Betrieb eine hohe Spannung von bis zu 1000 Volt notwendig. Die Apparatur mit den Nanoröhrchen funktionierte hingegen schon mit 350 Volt, und wie sich zeigte, ließ sich die Spannung sogar noch weiter reduzieren, wenn der Abstand zwischen Nanoröhrchen- und Metall-Elektrode entsprechend verringert wurde.
Sowohl Edelgase wie Helium und Argon, aber auch andere Bestandteile der Luft wie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid ließen sich auf diese Weise nachweisen. Auch Ammoniak entging dem Detektor nicht.
Und so wie die Durchschlagsspannung einen Fingerabdruck von Gasen lieferte, so gibt die Größe des Entladungsstroms Aufschluss über die Konzentration. Selbst bei Gemischen ließen sich die Bestandteile mit einer Genauigkeit von etwa einem Prozent auflösen, wobei die Reaktionszeit des Sensors im Vergleich zu anderen Detektoren sehr kurz war. Und damit sind die Vorteile des Systems noch nicht erschöpft, denn der Nanoröhrchen-Sensor macht auch im Dauerbetrieb eine gute Figur, da er sich nicht chemisch verändert, wie es bei anderen Sensoren geschieht. Weil die Betriebsspannung vergleichsweise gering ist, sind auch tragbare Sensorsysteme denkbar – der vielleicht größte Vorteil des neuen Detektors. Schließlich arbeitet das System auch weitgehend temperaturunabhängig und ist feuchtigkeitsresistent.
Obwohl es nicht unbedingt nötig ist, lässt sich der Sensor auch mit einem Gaschromatographen koppeln, der ein Gasgemisch vor der Messung auftrennt. Dadurch lässt sich die Nachweisgrenze des Geräts entsprechend verbessern. Erste Simulationstests der Forscher mit Helium als Trägergas deuten daraufhin, dass sich noch Gaskonzentrationen im ppm-Bereich (parts per million) aufspüren lassen – zwar nicht unbedingt ein Rekord, angesichts des geringen Aufwands für das Gerät und seiner kompakten Bauweise aber für mobile Nachweisgeräte durchaus interessant.
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