Sen­si­bel wie mensch­li­che Haut: Poly­mer-Ober­flä­chen mit hoch­prä­zi­ser Druck­er­ken­nung

Dipl. Phys. Johann Erath

Dipl. Phys. Johann Erath

Mensch­li­che Haut ist nicht nur so emp­find­lich, dass man den sprich­wört­li­chen “Schmet­ter­lings­flü­gel­schlag” wahr­neh­men kann. Sie ermög­licht auch eine räum­li­che Wahr­neh­mung von Drücken und Druck­un­ter­schie­den – eine Fähig­keit, die für den mensch­li­chen Tast­sinn ent­schei­dend ist. Vor allem in die­ser Hin­sicht war die Haut als bio­lo­gi­sches Vor­bild künst­li­chen Sen­so­ren bis­her klar über­le­gen. Das könn­te sich durch neu­ar­ti­ge Sen­sor­ma­te­ria­li­en, die in Koope­ra­ti­on zwi­schen For­schern der Uni­ver­si­tä­ten Bay­reuth, Cam­bridge (Eng­land) und Nij­me­gen (Nie­der­lan­de) ent­wickelt und unter­sucht wur­den, bald ändern. Noch nie zuvor ist eine der­art prä­zi­se late­ra­le Auf­lö­sung bei Sen­sor­ma­te­ria­li­en erreicht wor­den.

Grund­ele­ment der Sen­sor­ma­te­ria­li­en ist eine Ober­flä­che, auf der Poly­me­re so ver­an­kert sind, dass eine Schicht mit der Struk­tur einer Bür­ste ent­steht. In den Poly­me­ren ist zusätz­lich ein spe­zi­el­ler Farb­stoff ent­hal­ten. Wird nun ein Druck auf die Schicht aus­ge­übt, so wird die Bür­ste kom­pri­miert. Abhän­gig von der Stär­ke des aus­ge­üb­ten Drucks, ändert der Farb­stoff sei­ne opti­schen Eigen­schaf­ten. Die Ände­rung die­ser Eigen­schaf­ten – genau­er gesagt: der Farb­si­gna­le – kann direkt mit einem Mikro­skop gemes­sen und damit aus­ge­le­sen wer­den. Das Sen­sor­ma­te­ri­al “über­setzt” also ver­schie­den star­ke Drücke in ver­schie­de­ne Farb­si­gna­le. So ent­steht im wahr­sten Sinn des Wor­tes ein Abbild der Druck­ver­tei­lung.

“Unser Ansatz ist inso­fern neu, als wir die Druck­sen­si­ti­vi­tät direkt in den Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten ver­an­kert haben”, erklärt Prof. Dr. Andre­as Fery vom Lehr­stuhl Phy­si­ka­li­sche Che­mie II der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. “Kon­ven­tio­nel­le Druck­sen­so­ren basie­ren auf mecha­ni­schen Bau­tei­len wie Mem­bra­nen, deren Ände­rung nicht unmit­tel­bar sicht­bar ist, son­dern durch kom­ple­xe­re Ver­fah­ren aus­ge­le­sen wer­den muss. Unser Mate­ri­al ist hin­ge­gen so gestal­tet, dass es über sei­ne Far­b­ei­gen­schaf­ten Bescheid gibt, wel­cher Druck auf ihm lastet oder wie stark an ihm gezo­gen wird.”

Das neue Kon­zept trägt Früch­te: Die Sen­si­ti­vi­tät liegt im Bereich von Kilo-Pas­cal, ist also mit mensch­li­cher Haut ver­gleich­bar. Die late­ra­le Auf­lö­sung, also die räum­li­che Wahr­neh­mung, ist sogar um bis zu 50mal genau­er: Welt­re­kord. “Um die Gren­zen der Sen­si­ti­vi­tät des Mate­ri­als aus­zu­te­sten, haben wir eine spe­zi­el­le Appa­ra­tur ein­ge­setzt, die es erlaubt, gezielt ult­ra­klei­ne Kräf­te auf Ober­flä­chen aus­zu­üben und gleich­zei­tig die opti­sche Ant­wort aus­zu­le­sen. Der Auf­bau ist deutsch­land­weit ein­zig­ar­tig”, meint der Bay­reu­ther Phy­si­ker Johann Erath, der sich im Rah­men sei­ner Dok­tor­ar­beit mit der The­ma­tik befasst. Mit theo­re­ti­schen Über­le­gun­gen haben die For­scher gesetz­mä­ßi­ge Abhän­gig­kei­ten zwi­schen der Stär­ke des aus­ge­üb­ten Drucks und der opti­schen Ant­wort des Mate­ri­als her­aus­ar­bei­ten kön­nen.

Mit die­sen For­schungs­er­geb­nis­sen eröff­nen sich Per­spek­ti­ven für eine Viel­zahl neu­ar­ti­ger Beschich­tun­gen und tech­no­lo­gi­scher Anwen­dun­gen. In der Grund­la­gen­for­schung inter­es­siert man sich dafür, wie bei­spiels­wei­se Zel­len mit ande­ren Ober­flä­chen wech­sel­wir­ken oder wes­halb Geckos an den Wän­den lau­fen kön­nen. Für das Ver­ständ­nis bei­der Pro­zes­se ist eine räum­li­che Auf­lö­sung der Druck­ver­tei­lun­gen von zen­tra­ler Bedeu­tung.

Die For­schungs­ar­bei­ten wur­den im Wis­sen­schafts­ma­ga­zin “Ange­wand­te Che­mie Inter­na­tio­nal Edi­ti­on” ver­öf­fent­licht und im Jour­nal “Natu­re Mate­ri­als” als High­light vor­ge­stellt. Die För­de­rung erfolg­te durch die Deut­sche For­schungs­ge­mein­schaft sowie durch die Alex­an­der von Hum­boldt-Stif­tung, die Prof. Dr. Wil­helm T. S. Huck von der Uni­ver­si­tät Nij­me­gen mit dem Fried­rich Wil­helm Bes­sel-Preis einen For­schungs­auf­ent­halt an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ermög­lich­te.

Ver­öf­fent­li­chung:

Johan­na Bün­sow, Johann Erath, P. Maar­ten Bies­heu­vel, Andre­as Fery, and Wil­helm T. S. Huck,
Direct Cor­re­la­ti­on bet­ween Local Pres­su­re and Fluo­re­scence Out­put in Mechano­re­spon­si­ve Polyelec­tro­ly­te Brushes,
in: Ange­wand­te Che­mie Inter­na­tio­nal Edi­ti­on 2011, 50, pp. 9629 – 9632
DOI: 10.1002/ange.201102560

Die Ver­öf­fent­li­chung wur­de kürz­lich von Natu­re Mate­ri­als, der inter­na­tio­nal füh­ren­den Fach­zeit­schrift für Mate­ri­al­ent­wick­lung, als High­light vor­ge­stellt: Natu­re Mate­ri­als 2011, 10, p. 724

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