Nanosensoren mit eingebautem Kraftwerk

Wissenschaftler des Georgia Institute of Technology (Gatech) haben Sensoren entwickelt, die über piezoelektrische Nanogeneratoren verfügen. Generator und Sensor bestehen aus Nanodrähten aus Zinkoxid. Die Sensoren können den pH-Wert von Flüssigkeiten messen oder erkennen ultraviolettes (UV) Licht.

Strom durch Verformen

Der Nanogenerator besteht aus einer Anordnung von rund 20.000 Nanodrähten, die sich entweder waagerecht oder senkrecht angeordnet in einer flexiblen Polymerhülle befinden. Elektrische Energie wird durch den piezoelektrischen Effekt gewonnen: Werden die Nanodrähte verformt, wandeln sie mechanische Energie in elektrische.

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Sensor mit senkrechten (oben links) und waagerechten Drähten (rechts) (Bilder: Zhonglin Wang)

Die erzeugte Spannung sei vom Grad der Verformung abhängig, erklärt Zhonglin Wang. Bei der Verformungsrate von weniger als zwei Prozent pro Sekunde liefere der Nanogenerator 1,2 Volt, schreiben die Forscher um Wang im britischen Fachmagazin Nature Nanotechnology.

Günstige Herstellung

"Wir können jetzt die Drähte chemisch auf Substraten, die faltbar und biegsam sind, züchten. Das Substrat hat dabei eine Temperatur von nicht einmal 100 Grad Celsius, also etwa die Temperatur von Kaffee", erklärt Wang. Das senke die Herstellungskosten und ermögliche es, die Nanodrähte auf praktisch jedem Substrat zu züchten.

Die Forscher haben bisher zwei Sensoren gebaut, die auf den Zinknanodrähten basieren und von den Nanogeneratoren versorgt werden. Der pH-Sensor bestimmt den Säuregrad einer Flüssigkeit, indem er Spannungsänderungen misst, die auftreten, wenn der Sensor einer Flüssigkeit ausgesetzt wird. Der UV-Sensor erkennt UV-Licht auf vergleichbare Weise.

Energie aus der Umgebung

Generator und Sensor im Nanoformat ermöglichten den Bau sehr kleiner Sensoren, die sich selbst über das sogenannte Energy Harvesting mit Energie versorgen. Diese wird dabei aus der unmittelbaren Umgebung, etwa aus Vibrationen, Luftströmungen oder aus mechanischen Bewegungen, gewonnen. So kann ein Stoßdämpfer, ein Schuh, das Knie oder der Kiefer zum Generator werden.

Wangs Team arbeitet schon seit gut fünf Jahren an Energy Harvesting mit Nanodrähten. Vor zwei Jahren hatten die Forscher einen Nanogenerator für Hemden vorgestellt, der aus Nanodrähten aus Zinkoxid bestand.