Sensitive Hydrogele und Hydrogelverbunde: Strukturierte Schichten im µm- und sub-µm-Bereich und deren in-situ Quellverhalten
Final Report Abstract
Umgebungssensitive Hydrogele sind gequollene vernetzte Polymere, deren Quellungsgrad stark von den Eigenschaften einer fluiden Umgebung abhängt. Sie sind deshalb als Aktor-Sensor-Systeme geeignet. Eine Anwendung dieser Materialien ist in der Flüssigkeitssensorik gegeben. Durch das Vermögen eine mehrfaches ihres Eigenvolumens an Flüssigkeit aufzunehmen und dieses gezielt wieder abzugeben, sind auch Anwendungen als Speicherund Transportsysteme für medizinische Wirkstoffe denkbar. Eine Anwendung der umgebungssensitiven Hydrogele als Sensormaterialien setzt voraus, dass die Änderung ihrer Eigenschaften schnell erfolgt und als ein leicht zu erfassendes Messsignal registriert werden kann. Das Kriterium „schnelles Reagieren" wird von dünnen Schichten (im pm- und sub-pm-Bereich) erfüllt. Um die Sensitivitäten verschiedener Materialien nutzen zu können, ist der Aufbau eines Sensorarrays erforderlich. Leicht zu erfassen und zu verarbeiten sind elektrische Signale. Um die Änderung des Quellungsgrades, also einer geometrischen Größe, in eine proportionale Spannung umzuwandeln, wurde ein Prinzip, basierend auf der Verfolgung der Änderung von magnetischen Feldern angewandt. Ändert sich der Quellungsgrad eines sensitiven Hydrogels, das mit fest im Gel eingebundenen magnetischen Partikeln versehen ist, ändert sich auch die Stärke des Magnetfeldes, das auf einen Magnetfeldsensor wirkt. Zum Nachweis der Magnetfeldänderungen wurden der Hall-Effekt und der GMR-Effekt genutzt. Beide Bauteile wurden im pm-Maßstab aufgebaut und in ihren Leistungsparametern untersucht. Für die Mikro-Hallsonden wurden Bismuthschichten benutzt, die vorzugsweise durch Elektronenstrahlverdampfung erhalten wurden. Die polykristalline Schichten, die wegen der Abscheidung nicht glatt waren. Neben dem Abscheideverfahren musste auch ein Polierverfahren entwickelt werden. Die Untersuchungen zeigten, dass der Hall-Effekt als Grundlage für den Aufbau von schnellen und empfindlichen Sensoren für die Flüssigkeitssensorik geeignet ist. Es wurden entsprechende Testaufbauten realisiert, mit denen z.B. der Gehalt von organischen Lösungsmitteln in Wasser bestimmt wurde. Wegen der kurzen Ansprechzeiten ist eine online Analytik möglich. Das Hall-Signal ist zeitlich sehr stabil. Da die Hallspannung mit dem Quellungsgrad korreliert, steht ein elektrisches Signal zurVerfügung, das den Quellungsgrad misst Für ein temperatursensitives Gel kann der Quellungsgrad über die Temperatur und damit einen Heizer eingestellt werden. Dieser lässt sich nun über die Hallspannung steuern und ein thermoelektrisches Interface kann aufgebaut werden. In der Projektbearbeitung ergab sich, dass auf dem GMR-Effekt basierende Bauteile zwar eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldänderungen aufweisen, jedoch wegen ihrer spezifischen Kennlinie für die Anwendung als +/- Bauteil geeignet sind. GMR-Elemente in einer Brückenschaltung wurden in einen Fließkanal implementiert. Magnetisch-markierte Teilchen konnten beim Vorbeifließen erkannt und gezählt werden. Die die GMR-Elemente in einer Brückenschaltung betrieben werden können, können Temperatureinflüsse ausgeschlossen werden. Mit der rolled-up Methode gelang es, geeignete Heizer in einen Kanal zu platzieren. Temperatursensitive magnetisch-markierte Container ließen sich beim Vorbeifließen erkennen und zählen sowie durch einen Heizimpuls zur Abgabe der Beladung anregen. In Kombination mit weiteren Bauteilen, z.B. hydrogelbasierten Ventilen, die in früheren Arbeiten entwickelt wurden, ist eine gezielte Dosierung und Abgabe der Beladung möglich.
Publications
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Synthesis of Stimuli-Sensitive Hydrogels in the Mni and sub-μm Range by Radiation Techniques and their Application. Hydrogels, Biological Properties and Application ed. R. Barbucci, 21-39, Springer-Verlag Italia 2009, Milan
K.-F. Arndt, A. Richter, I. Mönch
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Thin Solid Films Bismuth Hall probes: Preparation, properties and application. Thin Solid Films (2010), 518(17), 4847-4851
R. Koseva, I. Mönch, J. Schumann, K.-F. Arndt, O. G. Schmidt
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Multifunctional nanomembranes self-assembled into compact rolled-up sensor-actuator devices. Smart Mater. Struct. 20 (2011) 085016 (10pp)
I. Mönch, J. Schumann, M. Stockmann, K.-F. Arndt, O. G. Schmidt
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Rolled-up Magnetic Sensor: Nanomembrane Architecture for In-flow Detection of Magnetic Objects, ACS Nano 5(9) (2011), 7436-7442
I. Mönch, D. Makarov, R. Koseva, L. Baraban, D. Karnaushenko, C. Kaiser, K.-F. Arndt, O. G. Schmidt
