Neuer Sensor detektiert geringe Luftfeuchtigkeit

Genauer geht‘s nicht!

Die Luftfeuchtigkeit zu messen ist in vielen Bereichen wichtig. Herkömmliche Sensoren in Hygrometern schaffen es bislang jedoch nicht, einen sehr niedrigen Wasserdampfgehalt zu bestimmen. Physiker:innen der Universität Duisburg-Essen (UDE) und der Technischen Universität Juri Gagarin/Russland haben nun einen neuen Sensor entwickelt. Er erkennt selbst kleinste Mengen Wassermoleküle, die auf seine Oberfläche sinken. Basis des Detektors sind hochleitfähige Materialien, so genannte MXene.

Eine gute Raumluft ist nicht nur für die Gesundheit wichtig. Auch in der Produktion oder im Labor, etwa in der Biomedizin oder in der Mikroelektronik, braucht es bestimmte Umgebungsbedingungen. Diese müssen sich genau kontrollieren lassen. In kommerziellen Messgeräten sind zwar leistungsfähige Feuchtesensoren verbaut, aber Wasserdampfkonzentrationen unter 50 ppm, also unter 0.3% relative Luftfeuchte, können sie nicht erkennen. Solche Sensoren eignen sich folglich nicht für alle Zwecke.

Dieses Problem ist das Physik-Team der UDE und der russischen Universität Juri Gagarin in Saratow mit einer völlig neuen Strategie angegangen. Es verwendete zweidimensionale nanometrische Materialien. Diese können kleinste Mengen an Wassermolekülen erkennen, die auf ihre Oberfläche sinken. „Auf diese Weise verbessert sich die Sensorleistung enorm – die Nachweisgrenze wird weit unter den bisherigen Stand der Technik verschoben. Mehr geht eigentlich nicht!“, freut sich UDE-Experimentalphysikerin Dr. Hanna Pazniak, die maßgeblich an der Entwicklung beteiligt war.

Diese hochleitfähigen Materialien heißen MXene, genauer: Mo2CTx MXene. Sie bestehen aus Verbindungen von Übergangsmetallcarbiden und Übergangsmetallnitriden. Die Verbindungen sind zu Schichten gestapelt und nur wenige Atome dick. Der Vorteil: Die neuen Sensoren sind hauchdünn und hochempfindlich. „Sie weisen Wasserdämpfe bis 10 ppm nach, also 0.06% relative Luftfeuchte. Das ist der niedrigste bisher bekannte Wert“, sagt Pazniak. Die Sensoren sind auch in einem anderen Punkt vielversprechend: Sie können serienmäßig eingesetzt werden.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der angesehenen Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht: https://doi.org/10.1002/adma.202104878

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Es zeigt die Rasterelektronen-Mikroskopie einer Multilage Mo2CTx MXene. Foto: Hanna Pazniak/UDE

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Hanna Pazniak, Fakultät für Physik, hanna.pazniak@uni-due.de
Prof. Dr. Ulf Wiedwald, Fakultät für Physik, ulf.wiedwald@uni-due.de

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1002/adma.202104878

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