Neues Material auf Zellulosebasis ermöglicht drei Sensoren in einem

Ein Multiparameter-Druck-Temperatur-Feuchtigkeitssensor basierend auf gemischten ionisch-elektronischen Cellulose-Aerogelen

28.03.2019 - Schweden

Cellulose, die in einer sorgfältig entwickelten Polymermischung getränkt ist, fungiert als Sensor zur Messung von Druck, Temperatur und Feuchtigkeit - und das bei gleichzeitigem Einsatz. Die Messungen sind völlig unabhängig voneinander. Der Sensor kann in Bereichen wie Robotik, Gesundheitswesen und Sicherheit von großer Bedeutung sein.

Die Fähigkeit, Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu messen, ist in vielen Anwendungen wichtig, wie z.B. bei der Patientenüberwachung zu Hause, in der Robotik, in elektronischer Haut, bei Funktionstextilien, bei der Überwachung und Sicherheit, um nur einige zu nennen. Die bisherige Forschung hat sich auf die Integration der verschiedenen Sensoren in die gleiche Schaltung konzentriert, was einige technische Herausforderungen mit sich bringt, nicht zuletzt hinsichtlich der Schnittstelle zum Anwender.

Wissenschaftler des Labors für Organische Elektronik der Universität Linköping haben nun unter der Leitung von Professor Xavier Crispin alle drei Messungen erfolgreich zu einem einzigen Sensor zusammengefasst.

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Möglich wurde dies durch die Entwicklung eines elastischen Polymer-Aerogels, das sowohl Ionen als auch Elektronen leitet, und die anschließende Nutzung des thermoelektrischen Effekts. Ein thermoelektrisches Material ist eines, bei dem sich Elektronen von der kalten Seite des Materials zur warmen Seite bewegen und so eine Spannungsdifferenz erzeugen.

Wenn Nanofasern aus Cellulose mit dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS in Wasser vermischt werden und das Gemisch unter Vakuum gefriergetrocknet wird, hat das entstehende Material die gleiche Struktur wie ein Waschschwamm, ein Aerogel. Durch die Zugabe einer Substanz namens Polysilan wird der Schwamm elastisch. Das Anlegen eines elektrischen Potentials über das Material ergibt einen linearen Stromanstieg, der für jeden Widerstand typisch ist. Wenn das Material jedoch einem Druck ausgesetzt ist, sinkt sein Widerstand und Elektronen fließen leichter durch das Material.

Da es sich um ein thermoelektrisches Material handelt, ist es auch möglich, Temperaturänderungen zu messen: Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltseite, desto höher ist die Spannungsentwicklung. Die Feuchtigkeit beeinflusst, wie schnell sich die Ionen von der warmen zur kalten Seite bewegen. Ist die Luftfeuchtigkeit Null, werden keine Ionen transportiert.

"Neu ist, dass wir zwischen der thermoelektrischen Reaktion der Elektronen (mit dem Temperaturgradienten) und der der Ionen (mit dem Feuchtigkeitsgrad) unterscheiden können, indem wir dem elektrischen Signal über die Zeit folgen. Das liegt daran, dass die beiden Antworten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen", sagt Xavier Crispin, Professor im Labor für organische Elektronik und Hauptautor des in Advanced Science veröffentlichten Artikels.

"Das bedeutet, dass wir drei Parameter mit einem Material messen können, ohne dass die verschiedenen Messungen gekoppelt sind", sagt er.

Shaobo Han, Doktorand und Senior Lecturer Simone Fabiano am Laboratory of Organic Electronics, hat auch einen Weg gefunden, die drei Signale voneinander zu trennen, so dass jedes einzelne einfach gelesen werden kann.

"Unser einzigartiger Sensor bereitet auch den Weg für das Internet der Dinge, bringt geringere Komplexität und niedrigere Produktionskosten. Dies ist nicht zuletzt in der Sicherheitsbranche ein Vorteil. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Platzierung von Sensoren in Verpackungen mit empfindlicher Ware", sagt Simone Fabiano.

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