Poröses Material ohne Stromversorgung reagiert auf Unterschiede der Oberflächenspannung

Flüssigkeits-Sensor

Cambridge (USA) - Ob im Labor, beim Tankwagen-Unfall oder bei der Qualitätskontrolle: Ein kleiner, günstiger Teststreifen kann durch Farbänderung unbekannte Flüssigkeiten identifizieren. Damit lassen sich auch sehr ähnliche Proben zum Beispiel von unterschiedlichen Benzinsorten korrekt unterscheiden, berichten Forscher der Harvard University. Die neue Methode setzt auf Unterschiede in der Oberflächenspannung der Flüssigkeiten - so dringen diese jeweils nur in bestimmte Bereiche des Teststreifens ein, erklären die Physiker und Materialforscher im "Journal of the American Chemical Society". Sie veränderten die Porenstruktur des Materials derart, dass die Teststreifen je nach Flüssigkeit sogar unterschiedliche Buchstaben anzeigen. Praktische Anwendungen für die "Watermark Ink" oder "W-Ink" getaufte Methode sieht das Team neben Umwelttests auch bei der Kontrolle an Tanksäulen oder von gepanschtem, potenziell tödlichem Schnaps.

"Digitale Sensoren sind heutzutage extrem komplex, doch dies ist ein Werkzeug, das überall arbeiten wird, ohne Zusatzausrüstung und mit einem sehr breiten Anwendungsspektrum", sagt Marko Loncar, Professor für Elektroingenieurwesen. Der Teststreifen ist ähnlich einfach zu nutzen wie das klassische Lackmuspapier, das durch Farbänderung den pH-Wert anzeigt. Doch sein Innenleben ist deutlich ausgeklügelter: Es besteht aus einer geschichteten Glasstruktur namens "inverser Opal". Dieses Material ist komplett mit hoch geordneten, untereinander verbundenen Poren versetzt. An der Luft wirkt es matt und unansehnlich. Doch dringen Flüssigkeitsmoleküle in die Löcher und Kanälchen, so verändern sich die optischen Eigenschaften der Oberfläche: Sie glänzt wie ein Opal.

Der Trick für ein einfaches Ablesens des Teststreifens liegt nun darin, das Material so zu strukturieren, dass unterschiedliche Bereiche der Oberfläche unterschiedliche Flüssigkeiten aufnehmen. Das Team arbeitete Flächen in Form von Buchstaben ein - je nach Probe stechen diese dann glänzend und gut lesbar aus ihrer Umgebung hervor oder auch nicht. Möglich sind aber auch alle anderen Formflächen, von Zahlen bis zu Giftzeichen oder Kleeblatt. "Zwei Faktoren bestimmen, ob die Farbe im Kontakt mit einer Flüssigkeit wechselt: Die Oberflächenchemie und der Ordnungsgrad der Porenstruktur", berichtet Lidiya Mishchenko, Materialforscherin im Team. So passen je nach Größe der Poren andere Moleküle in sie hinein. Entscheidend ist dabei nicht allein die Molekülgröße selbst, sondern auch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit - die Anziehungskräfte der Moleküle untereinander, die sogenannte Benetzung eines Tropfens auf einer Unterlage. Um die Reaktionseigenschaften der Poren und Kanälchen ihres Materials zu verändern, hatten die Forscher es mit Chemikaliendämpfen und mit Sauerstoffplasma behandelt.

Daraus hergestellte Teststreifen konnten klar zwischen verschiedenen organischen Lösungsmitteln unterscheiden, etwa zwischen Isopropanol und Aceton im Vergleich zu Wasser. Auch Ethanol in Konzentrationen von 50, 78, 85 und 100 Prozent waren an den jeweils sichtbaren Buchstaben auf dem Material deutlich zu unterscheiden. "Wegen der hochsymmetrischen Geometrie der photonischen Invers-Opal-Kristalle als Trägermaterial ergibt sich eine bemerkenswerte Trennschärfe der Benetzung über ein sehr breites Flüssigkeitsspektrum", schreiben Hauptautor Ian Burgess und Kollegen. So ist jeder Streifen quasi auf eine oder mehrere bestimmte Flüssigkeiten geeicht. Wenn sie nach dem Test verdampft sind, lässt sich der Streifen ohne Einschränkung wieder neu einsetzen. Er solle zwar nicht die klassische und genauere Gaschromatographie ersetzen, betonen die Forscher, doch mobil und ohne Energieversorgung liefere der richtige Streifen schnell und günstig Ergebnisse.