Produktionen av mycket känsliga sensorer är en komplex process:Det kräver många steg och den nästan dammfria miljön i speciella renrum. Ett forskarlag från Materials Science vid Kiel University (CAU) och från Biomedical Engineering vid Moldaviens tekniska universitet har nu utvecklat en procedur för att producera extremt känsliga och energieffektiva sensorer med hjälp av 3-D-utskrift. Den enkla och kostnadseffektiva produktionsmetoden lämpar sig även för industriell produktion, teamet förklarade nyligen i den berömda specialistjournalen Nanoenergi . Deras sensor, som de presenterar här, kan exakt mäta koncentrationen av acetonånga med en speciell struktur på nanonivå. Eftersom acetonkoncentrationen i andedräkten korrelerar med blodsockernivån, forskarlaget hoppas ha tagit ett steg mot att ta fram ett utandningstest för diabetiker som kan ersätta den dagliga kontrollen av deras blodsockernivåer med fingerstick.

Större yta gör sensorn mer känslig

Den speciella ytan på de nya sensorerna är synlig under ett högupplöst elektronmikroskop:molekyler av gaser som aceton intrasslas särskilt lätt i ett snår av nanotrådar runt bara 20 nanometer i diameter. Nanotrådarna/spikarna ökar storleken på sensorytan och skapar på så sätt dess höga känslighetsnivå. "För att göra denna speciella struktur värmer vi enkla mikropartiklar av metall tills många fina nanotrådar och nanospikar bildas på dem. Med ett specialutvecklat bläck kan vi applicera dessa partiklar med precision på olika ytor med hjälp av en 3D-skrivare, sa Leonard Siebert, förklarar vad som kallas "Direct Ink Writing". Som doktorand i arbetsgruppen Functional Nanomaterials vid CAU, han forskar om additiv produktionsteknik som 3D-utskrift, bland annat.

Mångsidig procedur för aceton och andra gaser

På grund av deras speciella sensorkoncept, den automatiserade 3D-utskriftsprocessen som presenteras i studien kan utföras i normal omgivande luft. På det här sättet, flera sensorer skapas samtidigt inom några minuter, något som brukade ta ett par timmar i renrum. Utgångsmaterialet kan också varieras på ett målinriktat sätt, ändra storlek och struktur och möjliggöra detektering av en viss gas. "Detta är fortfarande, först och främst, grundforskning, men denna princip skulle kunna användas i framtiden för att utveckla sensorer för väte eller andra explosiva och farliga gaser, " Professor Rainer Adelung, chef för arbetsgruppen vid Kiel University, är övertygad.

Metallpartiklarna som utgångsmaterial för sensorerna måste vara av en viss storlek för att de ska kunna bilda de speciella trådarna och nanospikarna. "Det korrekta höga förhållandet mellan yta och volym är avgörande, " förklarade Dr. Oleg Lupan från Biomedical Engineering vid Moldaviens tekniska universitet. Som Humboldt-stipendiat, han undersökte denna process i sex månader som en del av arbetsgruppen i Kiel. Vad som är fördelaktigt för sensornas känslighet visar sig vara en utmaning när det gäller deras produktion:medan mindre partiklar enkelt kan appliceras på ytor med hjälp av etablerade tekniker som sprutning eller vakuumavdunstningssystem, de mikropartiklar som används här är redan för stora för detta. "Av denna anledning, vi övervägde användningen av 3-D-skrivare för att applicera mikropartiklarna, "sa materialvetaren Siebert." Kunskapen om material och anordningar från kollegor från Moldaviens tekniska universitet och vår erfarenhet av nanomaterial och 3D-utskrifter kompletterar varandra perfekt här. "

Energieffektivitet möjliggör mobila applikationer

När organiska molekyler möter de många trådarna i den färdiga sensorn, de reagerar starkt på varandra. Genom att göra så, de ändrar sensorns motstånd och avger tydligt mätbara signaler. I princip, dock, endast en mycket liten volym elektricitet passerar genom de tunna ledningarna. "Så våra sensorer använder bara väldigt lite energi, " förklarade Lupan. "Detta gör små bärbara mätanordningar tänkbara, för, som kan läsas direkt via smartphone, till exempel."

Forskarna hoppas att detta kan möjliggöra framtida användning av sensorerna i mobil, bärbara utandningsprov för diabetiker. Istället för att kontrollera sina blodsockernivåer med fingerstick flera gånger om dagen, diabetiker kunde mäta acetonhalten i deras andetag. Den metaboliska produkten skapas när det råder brist på insulin och den avges via andningen. De mycket känsliga sensorerna kunde bestämma acetonvärden på under 1 ppm (partiklar per miljon luftmolekyler), rapporterade studien, medan andedräkten hos personer med diabetes typ I eller II har en acetonhalt på mer än 2 ppm.