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Mittwoch, 24.05.2017
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Nanoröhrchen als Drucksensoren

Lineares Verhältnis zwischen Druck und Widerstand

Winzige, nur drei Millimeter große Blöckchen aus Kohlenstoffnanoröhrchen haben sich im Test als ideale Drucksensoren entpuppt. Denn im Gegensatz zu vielen anderen Materialien behielten sie auch bei starkem und mehrfachem Druck immer ein konstantes lineares Verhältnis zwischen Druck und elektrischem Widerstand bei. Das berichten amerikanische Forscher jetzt im Fachmagazin „Applied Physics Letters“.
Obwohl die mechanischen Eigenschaften von Nanoröhrchen in den letzten Jahren intensiv erforscht worden sind, haben sich Wissenschaftler des Rensselaer Polytechnic Institute jetzt zum ersten Mal der Reaktion der winzigen Kohlenstoffröhren auf Druck angenommen. Ihnen ging es dabei in erster Linie darum, das Verhältnis zu untersuchen, in dem sich der elektrische Widerstand der Röhrchen bei unterschiedlichen Drücken verändert.

Lineares Verhältnis zwischen Druck und Widerstand


Für ihre Versuche spannten die Forscher einen drei Millimeter großen Block aus Kohlenstoffnanoröhrchen in eine Art Schraubzwinge ein und applizierten von oben unterschiedlich starken Druck. Gleichzeitig schickten sie Strom durch den Block und maßen seinen elektrischen Widerstand.

Nanoröhrchen im Block unter Druck

Nanoröhrchen im Block unter Druck

Es zeigte sich, dass der Block mit einer Veränderung des Widerstands auf den ausgeübten Druck reagierte. Beide Faktoren standen dabei in einem linearen Verhältnis: Je stärker der Block zusammengepresst wurde, desto mehr stieg der Widerstand an. Ein solches in einem Diagramm durch eine gerade Linie repräsentiertes Verhältnis ist für Materialforscher geradezu Gold wert, denn es erlaubt es, sehr einfach und verlässlich vorherzusagen, wie sich der Widerstand des Blocks unter bestimmten Umständen verhalten wird.


Anwendung als Drucksensor


„Wegen der linearen Beziehung zwischen Last und Stress, eignet sich das Material sehr gut als Drucksensor”, erklärt Subbalakshmi Sreekala, Hauptautor der Studie. Der Sensor funktioniert dann im Prinzip wie eine einfache Waage: Wird ein Objekt mit einem unbekannten Gewicht auf dem Nanoröhrchenblock platziert, wird dieser zusammengedrückt und sein elektrischer Widerstand steigt. Ein kurzer Stromstoß misst diesen Widerstand und das exakte Gewicht wird daraus ermittelt.

Ein Sensor aus einem Nanoröhrchenblock könnte auf diese Weise schon sehr geringe Druckunterschiede zuverlässig registrieren und daher in zahlreichen praktischen und industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen. So könnte er beispielsweise als Druckmesser in Autoreifen oder aber als mikroelektronischer Drucksensor in der Produktion von Halbleitern eingesetzt werden.

In den Tests der Forscher zeigte sich, dass die Belastungsgrenze des Nanoröhrchenblocks bei ungefähr 65 Prozent seiner ursprünglichen Höhe liegt. Wird er noch weiter zusammengedrückt, verliert er seine strukturelle Integrität und auch das lineare Verhältnis zu Widerstand geht verloren. Doch die Wissenschaftler arbeiten bereits daran, die Stabilität des Blocks zu erhöhen, indem sie beispielsweise Polymerverbindungen untermischen. „Die Herausforderung wird sein, die richtigen Polymere zu wählen, damit wir nicht an Effizienz verlieren, aber trotzdem unter allen Umständen die gleiche Reaktion erhalten“, erklärt Sreekala.
(Rensselaer Polytechnic Institute, 25.10.2007 - NPO)
 
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