Untersuchung eines neuartigen Konzeptes von CNT-basierten MEMS-Kondensatoren auf einer Membranplattform zur Bestimmung des Quellzustandes von smarten Hydrogelen (HydroMEMS)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Sascha Hermann; Professorin Dr.-Ing. Julia Körner
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Mikrosysteme ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548242085

Smarte Hydrogele sind eine spezielle Klasse von Polymeren, die durch physikalische oder chemische Vernetzung hydrophiler Moleküle hergestellt werden und in der Lage sind, auf einen externen Stimulus mit einem Volumen-Phasen-Übergang zu reagieren. Die Reaktionsfähigkeit kann dazu auf eine Vielzahl physikalischer und chemischer Reize zugeschnitten werden. Die Kombination mit einer großen Vielfalt möglicher Zusammensetzungen und einer leicht erreichbaren Biokompatibilität macht smarte Hydrogele zu sehr interessanten Kandidaten für Sensorelemente, insbesondere im biomedizinischen Kontext. Bisher sind entsprechende sensorische Anwendungen jedoch kaum implementiert, da es an geeigneten Konzepten zur zuverlässigen und robusten Detektion des Quellzustands des Hydrogels mangelt. Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören die Sensitivität und der potenzielle Messbereich, die Biokompatibilität und Möglichkeiten zur Verkapselung des Wandlers für einen Einsatz in rauen Umgebungen sowie die Verringerung von Querempfindlichkeiten und anderen Störungen, die mit dem Sensormaterial verbunden sind. Ziel dieses Projekts ist die Erforschung eines neuartigen miniaturisierbaren und energieeffizienten Sensorkonzepts, das auf einem elektromechanischen Prinzip zur Detektion des Quellzustands basiert. Die Grundlage bilden sich selbst formende flexible Mikrostrukturen, die durch vertikal ausgerichtete Elektroden aus Kohlenstoffnanoröhren (VACNT) erzeugt werden. Deren resistive/kapazitive Eigenschaften werden durch die Verformung, die durch das Quellen des smarten Hydrogels hervorgerufen wird, beeinflusst. Darüber hinaus sind Sensorelement (Hydrogel) und Wandler (CNT-Elektroden) durch eine biokompatible Passivierungsschicht chemisch voneinander getrennt. Im Rahmen des Projekts werden fundamentale Untersuchungen zu den grundlegenden physikalischen Zusammenhängen durch Simulationen sowie umfassende Experimente durchgeführt, um Einblicke in das Zusammenspiel zwischen Hydrogel-Quellung, resultierender Kraftverteilung und Wandlerausgangssignal zu gewinnen. Ziel ist die Eruierung des Potentials dieses Sensoransatzes, indem verschiedene Wandler-/Hydrogel-Konfigurationen sowohl für lineares als auch schaltartiges Verhalten analysiert werden. Letzteres soll durch die Integration definierter Luftspalte innerhalb der CNT-Strukturen erreicht werden, was Herstellungstechnisch deutlich über den aktuellen Stand der Technik für VACNTs hinausgeht. Zur Bestimmung der Sensoreigenschaften und der Bewertung der prinzipiellen Eignung des Konzeptes für die Detektion von Hydrogel-Quellzuständen soll ein Demonstrator für die Erkennung flüchtiger organischer Verbindungen in einer gasförmigen Umgebung aufgebaut werden. Darüber hinaus sollen Effekte der Materialalterung und Langzeitperformance untersucht und passende zuverlässige Betriebsroutinen für ein closed-loop Sensorkonzept entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen