Sensoren kommen in vielen Bereichen der Wissenschaft und des ganz normalen Alltags zum Einsatz, etwa bei der Überwachung von Upstream- und Downstream-Prozessen in einer Chemiefabrik oder bei der Steuerung von automatischen Türen, Computern und autonomen Fahrzeugen. Mit Fug und Recht lässt sich also behaupten, dass Sensoren ein fester Bestandteil des täglichen Lebens sind. Ihre Genauigkeit und Präzision müssen immer weiter verbessert werden, sodass sie zuverlässigere Daten liefern können. Die Notwendigkeit, die Sensorgenauigkeit und -präzision zu erhöhen, gewinnt noch weiter an Bedeutung, weil viele Fertigungsbereiche im Rahmen der flächendeckenden Industrie 4.0-Umsetzung auf automatisierte Prozesse umstellen, die vom Internet of Things (IoT) und Big Data unterstützt werden.

Die Anwendungsbereiche von Sensoren sind vielfältig. Deshalb können sie Veränderungen in einer örtlich begrenzten Umgebung über zahlreiche unterschiedliche Mechanismen messen. Der Sensoraufbau umfasst in jedem Fall eine aktive Messkomponente, die Veränderungen in der Umgebung erkennt. Was die Mechanismen angeht, so erkennen einige Sensoren in einem lokal abgegrenzten Bereich etwa einen Analyten durch die Moleküle, die sich vorübergehend mit der Sensoroberfläche verbinden. Dies kann ein gasförmiges Molekül (einschließlich Wasser bei der Feuchtigkeitsmessung), eine Flüssigkeit oder eine bestimmte Chemikalie sein. Andere Mechanismen basieren wiederum auf der physischen Verformung des Sensormaterials, zum Beispiel bei Spannungs- oder Dehnungssensoren. Wieder andere nutzen optische oder thermische Veränderungen in der Umgebung für eine nachweisbare Reaktion.

Alle Sensormechanismen haben jedoch eines gemeinsam, und zwar dass der Mechanismus eine Veränderung im gesamten Sensormaterial hervorruft, die dadurch feststellbar ist und aufgezeichnet werden kann. In vielen Fällen verursachen die Sensormechanismen die Veränderung der elektronischen Eigenschaften des Sensormaterials. Diese Veränderung wird in der Sensorauswertung in einem besser nutz- und lesbaren Format ausgegeben. Diese elektrische Änderung kann sich in Form einer erhöhten Leitfähigkeit des Sensormaterials manifestieren (wodurch sich die Spannung erhöht) oder als erhöhter Widerstandes des gesamten Materials auftreten.

Materialien für noch effizientere Sensoren

Nanomaterialien sind grundsätzlich dünn

Nanomaterialien sind von ihrer Beschaffenheit her dünn, und das ist ihr großes Plus für Sensoranwendungen. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass sich Sensoren mit 2D- und 1D-Materialien durch eine hohe Empfindlichkeit auszeichnen. Weil Nanomaterialien so dünn sind, besitzen sie eine verhältnismäßig große Oberfläche. Nanomaterialien sorgen also nicht nur dafür, dass Sensoren kleiner werden, sondern bieten darüber hinaus im Vergleich zu konventionellen Materialien auch noch eine sehr viel größere Sensoroberfläche. Der größere Oberflächenbereich führt dazu, dass auf der Oberfläche mehr „Sensorpunkte“ möglich sind als auf anderen Materialien. Da die Materialien so dünn sind, können Fehlstellen – und speziell geladene Hohlstellen – in die Oberfläche eines Nanomaterials eingebracht werden. Auf diese Weise lassen sich Nanomaterialien auf einen Molekültyp abstimmen. Dabei kann es sich um bestimmte Gase handeln, beispielsweise Ammoniak, Methan oder Wasserdampf, aber auch um spezielle Chemikalien in einer strömenden Flüssigkeit. Die Entwickler haben zudem die Möglichkeit, Bereiche für ein spezielles Molekül abzugrenzen und andere, die auf wieder andere Moleküle abzielen. Dadurch können auf Nanomaterial basierende Sensoren mit Multisensorfähigkeiten ausgestattet werden.

Flexible Eigenschaften von Nanomaterialien

Eine weiterer Aspekt der geringen Dicke von Nanomaterialien ist die Flexibilität. Nicht alle Nanomaterialien sind flexibel, aber jene, die es sind – etwa Graphen – können stark verformt werden, ohne zu zerbrechen. Auch das verändert die Leitfähigkeit im gesamten Nanomaterial (was wiederum messbar ist). Viele flexible Nanomaterialien verfügen zudem über eine hohe Zugfestigkeit – nehmen wir nur einmal Graphen mit der höchsten ermittelten Zugfestigkeit eines Einzelmaterials. Deshalb kann die Flexibilität einiger Nanomateralien zu einem Sensormechanismus werden. Er basiert auf der Fähigkeit, die ursprüngliche Form wiederherzustellen. Die Flexibilität sorgt zudem für eine lange Nutzungsdauer. In vielen Fällen verhalten sich Nanomaterialien auch unter Druck gleich und zeigen eine nachweisbare Reaktion. Es gibt verschiedene piezoelektrische und druckelektrische Materialien, die sich unter Belastung verformen und eine Veränderung ihrer elektrischen Energie aufweisen – fast genauso wie konventionelle piezoelektrische und druckelektrische Materialien, jedoch in kleinerem Umfang, wodurch sie bei kleinen Dehnungsverformungen präziser sind.

Wärmeleiteigenschaften von Nanomaterialien

Einige Nanomaterialien sind auch wärmeleitfähig und können starker Hitze ausgesetzt werden – die ideale Eigenschaft für Temperaturfühler. Wenn die Umgebungstemperatur sich erhöht, kann dies durch einen Abfall des Wärmewiderstands im gesamten Nanomaterial festgestellt werden.

Optische Eigenschaften von Nanomaterialien

Einige Nanomaterialien weisen vorteilhafte optische Eigenschaften auf, beispielsweise absorbieren sie Licht. Wenn dies mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und Ladungsträgermobilität verbunden ist, können sie als hochempfindliche Photodetektoren eingesetzt werden. In einigen Fällen erstrecken sich diese Eigenschaften nicht nur auf sichtbares Licht, sondern decken auch andere Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ab, etwa UV-Strahlung.

Elektrische Leitfähigkeit und Ladungsträgermobilität

Wir haben uns damit beschäftigt, inwiefern die verschiedenen Mechanismen und Eigenschaften von Nanomaterialien Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit des Nanomaterials und/oder anderer Sensoroberflächen hervorrufen. Aber die elektrische Leitfähigkeit und die Ladungsträgermobilität – also die Fähigkeit geladener Partikel wie Elektronen und Löcher, sich durch das Atomgitter zu bewegen – sind schon an sich zwei Eigenschaften, die bei vielen Nanomaterialien besser sind als bei anderen Materialien. Viele Nanomaterialien sind stark leitend oder auch halbleitend, was neben einer hohen Ladungsträgermobilität dafür verantwortlich ist, dass die elektrische Veränderung im gesamten Nanomaterial sehr viel präziser festgestellt werden kann, weil das Material deutlich stärker auf geringfügige Veränderungen reagiert.

Wenn Nanomaterialien halbleitende Fähigkeiten aufweisen, können sie zur Erkennung von Molekülen genutzt werden, die sowohl über elektronische Akzeptor- als auch Donoreigenschaften verfügen. In halbleitenden Nanomaterialien können Mechanismen zum Tragen kommen, die die Zahl der Löcher im Valenzband verringern, wodurch der Widerstand im gesamten Nanomaterial zunimmt. Es können aber auch Mechanismen ablaufen, durch die Elektronen zum Leitungsband wandern, wodurch sich die Leitfähigkeit erhöht. Beide Mechanismen sind einfach über die Änderung der angelegten Spannung im gesamten Nanomaterial messbar.

Einbindung von Nanomaterialen in Hybridmaterialien

Bislang haben wir uns nur mit einzelnen Nanomaterialien beschäftigt. Viele Nanomaterialien lassen sich jedoch auch in Hybridmaterialien (wie etwa  Verbundstoffe) einbinden. Sie verbinden sich dann in einer Hybridmatrix intermolekular mit den anderen Materialien. Diese intermolekulare Bindung kann durch Wasserstoffbindungen (wenn das Nanomaterial polare Gruppen beinhaltet), Van-der-Waals-Kräfte und π-π-Wechselwirkung erfolgen. Durch diese intermolekularen Interaktionen sind effiziente Ladungsübertragungsmechanismen möglich, wenn im Hybridmaterial delokalisierte Elektronen vorhanden sind (insbesondere wenn sich π-Elektron-Gruppen bilden). Dadurch erhöht sich die Effizienz des Leitungsmechanismus, was zu einer höheren Empfindlichkeit führt.

Fazit

Nicht alle Nanomaterialien eignen sich für Sensoranwendungen, aber wenn sie es tun, kann dies zu einer deutlichen Verbesserung der Sensorfähigkeiten im Vergleich zu anderen Materialien führen. Insgesamt sind dabei verschiedene vorteilhafte Eigenschaften zu nennen – von der großen Oberfläche über die Wärmeleitfähigkeit, eine hohe elektrische Leitfähigkeit bis hin zu den Ladungsübertragungseigenschaften. Diese können genutzt werden, um die Sensormechanismen im Vergleich zu anderen Sensormaterialien präziser zu gestalten.

Sensoren für verschiedenste Bereiche basieren auf Nanomaterialien. Dazu zählen unter anderem Spannungs-/Dehnungsmessgeräte, verschiedene Arten von Biosensoren, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, Druckfühler, optische Sensoren, kapazitive Sensoren, piezoelektrische Sensoren und druckelektrische Sensoren.