Forscher aus Irland haben mit 3D-Druck neuartige Sensoren zur Echtzeit-Gasüberwachung in Häusern, Autos und am Arbeitsplatz entwickelt. Die 3D-gedruckten Gassensoren können ihre Farbe bei der Anwesenheit bestimmter Lösungsmitteldämpfe ändern und so auf viele zusätzliche Belastungen in der Luft, neben Rauch oder Kohlenmonoxid, hinweisen und zu einer besseren Luft in Innenräumen hinweisen.

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Forscher des Trinity College Dublin und des SFI Research Center for Advanced Materials and BioEngineering Research (AMBER) haben mithilfe von 3D-Druck einen neuartigen Satz mikroskopischer Gassensoren entwickelt. Die 3D-gedruckten Sensoren ahmen die farbwechselnden Federn eines Pfaus nach und sind in der Lage, die Farben bei der Anwesenheit bestimmter Lösungsmitteldämpfe zu ändern. Die 3D-gedruckten Sensoren sind kostengünstig in der Herstellung und können zur visuellen Erkennung gefährlicher Schadstoffe dienen.

Gassensoren zur Echtzeit-Überwachung flüchtiger organischer Verbindungen

3D-gedrucke Sensoren
Die mit 3D-Druck hergestellten Sensoren können Gase in der Luft erkennen und die Art des Gases farblich wiedergeben (Bild © Trinity College Dublin).

Der durchschnittliche Mensch verbringt heutzutage die meiste Zeit in Innenräumen – sei es zu Hause, in einem Fahrzeug oder im Büro. Dabei kann die Schadstoffkonzentration in Innenräumen bis zu 100 Mal höher sein als die Konzentration im Freien. Derzeit konzentrieren sich moderne Innenraum-Gassensoren jedoch fast ausschließlich auf die Erkennung von Rauch oder Kohlenmonoxid, während die Echtzeit-Überwachung flüchtiger organischer Verbindungen und Ammoniak weitgehend unberücksichtigt bleibt.

Trotz ihrer geringen Größe können die 3D-gedruckten Sensoren den Gasgehalt ihrer Umgebung aufdecken und abhängig von den vorhandenen Gasen unterschiedliche Farben reflektieren. Das Team glaubt, dass solche Geräte große Auswirkungen auf die Echtzeit-Gasüberwachung in Häusern, Autos und am Arbeitsplatz sowie auf tragbare Geräte für persönliche Gesundheitsanwendungen haben könnten.

Die Mitautorin der Studie, Professorin Larisa Florea, erklärt:

„Wir haben reaktionsschnelle, gedruckte, mikroskopische optische Strukturen geschaffen, die für Echtzeitüberwachung und zum Nachweis von Gasen verwendet werden können. Die Möglichkeit, ein solches optisch ansprechendes Material zu drucken, birgt großes Potenzial für die Integration in vernetzte, kostengünstige Sensorgeräte.“

SLA-basierter 3D-Druck der Gassensoren

Bei der Entwicklung der Gassensoren musste das Team eine Reihe mikroskopischer Strukturen unter Verwendung seiner eigenen stimuli-responsiven 3D-Druckmaterialien entwerfen, modellieren und prototypisieren. Um solch winzige Strukturen zu ermöglichen, nutzten die Forscher den Prozess der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP), einer sehr präzisen Form des SLA-basierten 3D-Drucks, bei dem ein Punktlaser verwendet wird, um Harze zu mikroskopischen Teilen auszuhärten.

Dem Team gelang es schließlich, die 3D-gedruckten Sensoren dazu zu bringen, die Farbe als Reaktion auf verschiedene Lösungsmitteldämpfe zu ändern. Dies geschah durch unterschiedliche Variationen der Formulierung des verwendeten Materials sowie der Geometrie der Strukturen, da auch der Betrachtungswinkel ein wichtiger Faktor für die Lichtreflexion der Sensoren ist. Die Sensoren aus dem 3D-Drucker sind kostengünstig, hochempfindlich, an unterschiedliche Reize anpassbar und überzeugen durch minimalen Stromverbrauch. Weitere Details der Studie wurden unter dem Titel „Direct Laser Writing of vapour-responsive photonic arrays“ veröffentlicht.

REM-Darstellung von Gassensoren
REM-Darstellung der 3D-gedruckten Gassensoren unter dem Mikroskop (Bild © Trinity College Dublin).

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