www.ethlife.ethz.ch
ETH Life - wissen was laeuft
ETH Life - wissen was laeuftETH Life - wissen was laeuftETH LifeDie taegliche Web-Zeitung der ETHETH Life - wissen was laeuft
ETH Life - wissen was laeuftETH Life - wissen was laeuft


Rubrik: Tagesberichte

Neuer Sensor für Feuchtigkeitsmessung
Ein Chamäleon aus Kupfer

Published: 25.04.2007 06:00
Modified: 25.04.2007 11:32
druckbefehl
Forscher der ETH Zürich haben einen neuen Sensor aus Kupfer entwickelt, mit dem die Luftfeuchtigkeit einfach, schnell und präzis gemessen werden kann. Im Gegensatz zu anderen Geräten benötigt er keinerlei zusätzliche Elektronik.



Felix Würsten (mailto:felix.wuersten@ethlife.ethz.ch)

Auf den ersten Blick mutete es wie ein Scherz an: Als Norman Lüchinger seinem Betreuer erzählte, die dünnen Kupferstreifen, die er in seinem Labor untersuche, würden sich blau verfärben, wenn er die Hand darauf halte, wollte ihm Wendelin Stark zunächst keinen Glauben schenken. Doch beim näheren Hinsehen zeigte sich, dass der junge Forscher tatsächlich recht hatte: Je nach dem, wie feucht die Umgebung ist, verändert sich die Farbe des Metallstreifens.

Lüchinger und Stark merkten sofort, dass sie hier eine interessante Beobachtung gemacht hatten. Zusammen mit weiteren Forschern des Instituts für Chemie und Bioingenieurwissenschaften der ETH Zürich (1) konnten die Beiden inzwischen nachweisen, dass man mit solchen Kupferstreifen die Luftfeuchtigkeit bemerkenswert präzis messen kann. (2) Der Grund dafür liegt in der speziellen Struktur der Streifen. Diese sind nämlich nicht aus normalem Kupfer gefertigt, sondern bestehen aus unzähligen feinen Kupferpartikeln, die auf ein Polymersubstrat aufgetragen wurden. Zwischen den Kupferpartikeln befinden sich kleine Hohlräume, die sich in feuchter Luft mit Wasser füllen. "Der Vorgang lässt sich mit einem Löschblatt vergleichen, das Wasser aufsaugt", erklärt Stark. Die Aufnahme des Wassers in den Poren wirkt sich unmittelbar auf die Oberflächenresonanz des Materials aus. Die sichtbare Konsequenz: Die Farbe des Kupferstreifens ändert sich markant.

Zwei Effekte kombiniert

Sind die Poren ganz mit Wasser gefüllt, kommt noch ein zweiter Effekt dazu: Auf dem Streifen bildet sich ein dünner Wasserfilm, ähnlich einem Ölfilm auf einer Pfütze. Wird das einfallende Licht an diesem Wasserfilm reflektiert, entstehen Interferenzeffekte, welche die Oberfläche nochmals in ganz anderen Farben erscheinen lassen. "Ab einer Luftfeuchtigkeit von 60 Prozent lässt sich das gesamte Farbspektrum beobachten", erzählt Stark begeistert. Der Metallstreifen reagiert dabei bemerkenswert empfindlich: Im Bereich zwischen 80 und 85 Prozent Luftfeuchtigkeit können Differenzen von einem Prozent alleine auf Grund der Farbunterschiede nachgewiesen werden.

Je nach dem, wie feucht die Luft ist, ändert das Kupferplättchen seine Farbe. Einen ähnlichen Effekt beobachtet man, wenn das Kupfer mit Ethanol-Dampf in Kontakt kommt. ( American Chemical Society)

Der neue Sensor ist aber nicht nur empfindlich, sondern er reagiert auch sehr schnell auf Veränderungen. "Innerhalb von wenigen Millisekunden passt sich die Farbe an", hat Stark beobachtet. Der Farbumschlag ist dabei reversibel. "Die Messungen können beliebig oft wiederholt werden."

Gezielte Modifikationen

Die Wissenschaftler können sich verschiedene praktische Anwendungen vorstellen. "Man könnte mit dem neuen Sensor auf einfache Art und Weise die Luftfeuchtigkeit in einem Raum bestimmen", meint Stark. "Und dies notabene ohne jegliche Elektronik, wie das bei modernen Geräten sonst üblich ist." Auch für die Lebensmittelindustrie könnte der neue Sensor von Interesse sein. Bei vielen Esswaren ist es wichtig, dass sie in der richtigen Umgebung gelagert werden. Mit dem Sensor liesse sich auf einfache Weise überprüfen, ob die Luft in der Verpackung genügend feucht ist oder ob die Ware zu vertrocknen droht.

Der nun entwickelte Kupfersensor kann allerdings nur einen bestimmten Bereich abdecken. Unterhalb von 60 Prozent Luftfeuchtigkeit bleibt seine Farbe konstant. Stark möchte nun durch Zugabe von weiteren Stoffen den Streifen so verändern, dass er auch für andere Bereiche eine hohe Empfindlichkeit aufweisen kann. Will man dann den gesamten Messbereich abdecken, könnte man mehrere Streifen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten miteinander kombinieren. Stark ist zudem überzeugt, dass mit dem Messprinzip auch andere Substanzen wie beispielsweise Benzindämpfe nachgewiesen werden könnten. Die beiden Forscher konnten bereits zeigen, dass auch Ethanol die Kupferplättchen zu verfärben vermag.

Footnotes:
(1) Homepage des Functional Materials Laboratory am Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften: www.fml.ethz.ch/
(2) N. Lüchinger et.al.: Highly Sensitive Optical Detection of Humidity on Polymer/Metal Nanoparticle Hybrid Films. Langmuir 2007, 23, 3473–3477 (2007).


Copyright 2000-2002 by ETH - Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich - Swiss Federal Institute of Technology Zurich
ok
!!! Dieses Dokument stammt aus dem ETH Web-Archiv und wird nicht mehr gepflegt !!!
!!! This document is stored in the ETH Web archive and is no longer maintained !!!