27/03/2020
Door Ad Spijkers
Een onderzoeksteam uit Duitsland en Moldavië heeft een proces ontwikkeld om extreem gevoelige en zuinige sensoren te produceren met behulp van 3D-printen.
De onderzoekers zijn verbonden aan de Christian-Albrechts-Universität Kiel (CAU) en de Technische Universiteit van Moldavië in Chisinau. Het onderzoeksteam heeft een eenvoudige en goedkope vervaardigingsmethode ontwikkeld voor het maken van gevoelige gassensoren. Via 3D printen kunnen in enkele minuten meerdere sensoren worden gecreëerd, wat voorheen een paar uur in clean rooms vereiste. Het 3D-printproces kan voor dit sensorconcept in normale omgevingslucht worden uitgevoerd en is geschikt voor industriële productie.
Gevoelige sensoren
Het oppervlak van de nieuwe sensoren is zichtbaar onder een elektronenmicroscoop met hoge resolutie. Moleculen van gassen worden gemakkelijk gevangen in een 'struikgewas' van talrijke sprieten met een diameter van ongeveer 20 nm. De sprieten vergroten het oppervlak van de sensor en zorgen zo voor een hoge gevoeligheid.
Het sensoroppervlak onder de microscoop: het onderzoeksteam kweekt sprietjes uit metalen microdeeltjes, waarop gasmoleculen goed worden opgevangen. (foto: AG Funktionale Nanomaterialien)
Dankzij de structurering op nanoniveau kan de sensor nauwkeurig de concentratie van acetongas in uitgeademde lucht meten. De acetonconcentratie in de adem correleert met het niveau van de bloedsuikerspiegel. Er kunnen verschillende uitgangsmaterialen worden gebruikt en aangepast voor de deeltjes waarop de sprieten groeien, afhankelijk van welk gas de sensor zou moeten detecteren.
De onderzoekers waarschuwen dat het nog steeds primair fundamenteel onderzoek is. Maar in de toekomst zal het mogelijk zijn om ook sensoren voor waterstof of andere explosieve gevaarlijke gassen te ontwikkelen volgens dit principe.
Veelzijdig proces
Om de bijzondere structuur te bereiken, verwarmen de onderzoekers metalen microdeeltjes tot de talloze fijne punten erop komen. Met een speciaal ontwikkelde inkt kunnen ze 3D-printers gebruiken om deze deeltjes nauwkeurig op verschillende oppervlakken aan te brengen.
Om de speciale sprieten te vormen, moeten de metaaldeeltjes een bepaalde maat hebben. De doorslaggevende factor is de juiste verhouding van oppervlakte tot volume: de oppervlakte moet relatief groot zijn in vergelijking met het volume. Maar wat goed is voor de gevoeligheid van de sensoren is een uitdaging bij de fabricage ervan.
Hoewel kleinere deeltjes gemakkelijk aan oppervlakken kunnen worden bevestigd met behulp van gevestigde technieken zoals spuiten of vacuümverdampen, zijn de nu gebruikte microdeeltjes hier al te groot voor. De wetenschappers hebben daarom onderzocht hoe ze hiervoor 3D-printers zouden kunnen gebruiken. De kennis aan de TU Moldova over nanostructurering en de ervaring in Kiel met 3D-printen vulden elkaar hier goed aan.
Zuinig met energie
Wanneer organische moleculen de talrijke punten in de voltooide sensor raken, reageren ze sterk met elkaar. Op deze manier veranderen ze de weerstand van de sensor en triggeren duidelijk meetbare signalen. Er stroomt maar een kleine hoeveelheid stroom door de dunne sprieten, zodat de sensoren weinig energie verbruiken. Hierdoor zijn ook kleine draagbare meetapparaten denkbaar, die bijvoorbeeld direct via een smartphone kunnen worden uitgelezen.
De onderzoekers hopen dat de sensoren in de toekomst kunnen worden gebruikt in mobiele, draagbare ademtests voor diabetici. In plaats van meerdere keren per dag hun bloedsuikerspiegel te bepalen met een vingerprik, konden de patiënten de acetonspiegel in hun adem meten. Dit product ontstaat wanneer er een tekort is aan insuline en het wordt afgegeven via de lucht die we inademen. De zeer gevoelige sensoren konden volgens het onderzoek acetonwaarden tot minder dan 1 ppm (deeltjes per miljoen luchtdeeltjes) detecteren.
Foto boven: Julia Siekmann, CAU