Mesoporous Hydrogels from Microemulsions and Similar Structures for Hydrogel-based Sensors
Final Report Abstract
Die Zielstellungen des Projekts konnten größtenteils umgesetzt werden. Durch das Einbringen von Poren mit Porendurchmessern im nm-Bereich konnte die Ansprechzeit des Sensors deutlich verringert werden. Trotzdem wurde die mechanische Stabilität des Hydrogel-Transducers erhalten. Die Sensitivität des Sensors, die mit dem Einbringen von Porosität in den Hydrogel-Transducer sinkt, konnte im Projekt hingegen erwartungsgemäß nicht erhöht werden. Im Detail kann zusammengefasst werden, dass das Einbringen von Poren mit Porendurchmessern im Bereich 100 bis 200 nm gelungen ist. Tensidbasierte Templatlösungen konnten für die Synthese aller angestrebten Hydrogele gefunden und in ternären Phasendiagrammen dargestellt werden. Synthesen sowie Messungen der Quellkinetik und Sensormessungen erfolgten wie geplant. Die aus den Vorarbeiten resultierenden Fragestellungen werden im Folgenden thematisiert. a) Die Sensitivität des Sensors sinkt bei der Verwendung von porösen Hydrogelen aufgrund des geringeren Materialanteils pro Volumeneinheit. Diese Aussage wurde bestätigt. Das Problem könnte in Zukunft jedoch dadurch gelöst werden, dass das Hydrogelvolumen im Sensor vergrößert wird. Der ursprüngliche Ansatz zur Reduktion der Ansprechzeiten bei Verwendung von unporösen Hydrogelen, die im Bereich von Stunden bis Tagen liegen können, bestand in der deutlichen Verkleinerung des Hydrogelvolumens. Dies ergibt sich aus der Abhängigkeit der Quellkinetik von der Probengeometrie. Je kleiner die Hydrogelprobe ist, desto schneller quillt bzw. entquillt sie. Da bei der Verwendung der hier vorgestellten porösen Hydrogele bereits Proben mit größeren Volumina deutlich schneller quellen (wenige Sekunden bis wenige Minuten), könnte, abhängig von der Anwendung, mehr Probenvolumen in den Sensor eingebracht werden. Der hier verwendete Sensoraufbau bietet diese Möglichkeit. b) In Schulz (2013) lagen die Ansprechzeiten (t90) der Sensoren, die makroporöse Hydrogel-Transducer enthielten, zwischen 7 und 20 min. Zum Vergleich: In Schulz (2013) wurden Hydrogelproben mit den Maßen B x T x H = 1 x 1 x 0.7 mm verwendet. Im hier vorgestellten Projekt betrugen die Maße ø x H = 2.5 x 1.5 mm. Das hier verwendete Probenvolumen ist somit eine Größenordnung größer. Trotz des im hier vorgestellten Projekt größeren Probenvolumens konnte die Ansprechzeit des Sensors unter Verwendung von porösen Hydrogelen mit Porendurchmessern im Bereich 100 bis 200 nm noch einmal deutlich verkürzt werden. Die Ansprechzeiten lagen zwischen 35 s und 4 min. Damit wurden realistische Sensorkennwerte für die Anwendbarkeit von Hydrogelen für praktische Aufgabenstellungen erreicht. Da auf ein ggf. aufwendiges Herunterskalieren der Hydrogelvolumina in den unteren µm3- bzw. nm3-Bereich verzichtet werden kann, ist der Aufbau einfacher und kostengünstiger Sensoren möglich. c) In Schulz (2013) wurde gemutmaßt, dass das Einbringen einer hierarchischen Porenstruktur zu einer Verkürzung der Ansprechzeit unter dem Erhalt der mechanischen Stabilität des Hydrogel-Transducers führt. Da die Porenstrukturen der im Projekt untersuchten Hydrogele aus Zeitgründen und wegen der reduzierten Förderung nicht abschließend untersucht werden konnten, kann diese Aussage weder bestätigt noch abgelehnt werden. Es kann jedoch das Vorliegen einer hierarchischen Porenstruktur vermutet werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die wesentlichen Ziele des Projektes erreicht wurden. Details wie der Einfluss unterschiedlicher Templatstrukturen auf die Performance des Hydrogels im Sensor und die Untersuchung der Porenstrukturen sowie die Anwendbarkeit freistehender Hydrogelschichten sollten in weiteren Arbeiten untersucht werden.
Publications
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4.6 - Poröse Poly-N-Isopropylacrylamid-Hydrogele für piezoresistive Sensoren mit schnellem Ansprechverhalten. Tagungsband, 72-75. AMA Service GmbH, Von-Münchhausen-Str. 49, 31515 Wunstorf, Germany.
Franke, D. & Gerlach, G.
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Porous hydrogels from surfactant-based template solutions, APMM 2019 – Active Polymeric Materials and Microsystems, 16.-19. September 2019, Dresden, Germany (Vortrag)
Daniela Franke & Gerald Gerlach
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Poröse Hydrogele für piezoresistive Sensoren mit schnellem Ansprechverhalten, 14. Dresdner Sensor Symposium 2019, 2.-4. Dezember 2019, Dresden, Germany (Vortrag)
Daniela Franke & Gerald Gerlach
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Swelling Studies of Porous and Nonporous Semi-IPN Hydrogels for Sensor and Actuator Applications. Micromachines, 11(4), 425.
Franke, Daniela & Gerlach, Gerald
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Studies on porosity in poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels for fast-responsive piezoresistive microsensors. Journal of Sensors and Sensor Systems, 10(1), 93-100.
Franke, Daniela & Gerlach, Gerald
