Farbsensoren mit Trick aus der Nanotechnik

Ein winziger Farbsensor kann sichtbares Licht unterscheiden, mit der Netzhaut des natürlichen Auges als Vorbild

Livermore (USA) - Wie im menschlichen Auge reagieren neuartige Farbsensoren aus den USA auf sichtbares Licht: Sie können erstmals unterschiedliche Wellenlängen in diesem Bereich wahrnehmen und sind obendrein noch sehr lichtempfindlich. Der Trick der Entwickler: Sie kombinierten Kohlenstoffnanoröhrchen mit lichtempfindlichen Farbstoffmolekülen. Das Konstrukt wandelt auftreffendes Licht ähnlich wie die Netzhaut im Auge in elektrische Signale um - nur dass sie statt zum Hirn in einen Computer laufen. Anwendungen für den neuen Sensor sehen die Forscher sowohl in der Biologie und Medizin als auch in der Astronomie, berichten sie online in der wissenschaftlichen Datenbank ArXiv.org.

"Die Chromophoren [im Farbstoff] dienen als Lichtabsorber und die Nanoröhrchen als elektronische Ableser", schreibt das Team um Xinjian Zhou von den kalifornischen staatlichen Sandia National Laboratories. Damit sitzen ein Detektor und ein Signalverstärker direkt nebeneinander im System, und der Verstärkungseffekt der Nanoröhrchen ermöglicht sehr hohe Empfindlichkeiten und kann auch auf sehr schwache Lichtquellen reagieren, so die Forscher. Sie hatten einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, nur Millionstel Millimeter groß, auf einem zehn Zentimeter großen Siliziumwafer aufgebracht und durch Aufdampfung mit elektrischen Kontakten versehen. Diesen tauchten sie ein eine Farbstofflösung auf Basis so genannten Azobenzols, das die Basis für lichtempfindliche Azofarbstoffe bildet.

Trifft Licht auf diese anhaftenden Moleküle, so absorbieren sie die Photonen und verformen sich. Die Forscher vermuten aufgrund ihrer Messungen, dass die Chromophoren-Anteile der Moleküle beim Wechsel in den angeregten Zustand eine starke Veränderung im Dipolmoment erfahren, was wiederum in den Nanoröhrchen ein elektrostatisches Potential erzeugt und damit deren Leitfähigkeit verändert. Bisher beruhen Lichtsensoren vor allem auf Festkörpermaterialien, die bei Photoneneinfall Elektronen-Loch-Paare produzieren. Deren Herstellung in hoher Präzision ist aber sehr kompliziert. Andere Experimente mit photoempfindlichen Molekülen zeigten bisher nur Ergebnisse außerhalb des sichtbaren Spektrums.

Die Forscher um Zhou konstruierten drei Prototypen mit jeweils unterschiedlichen Chromophoren und testeten sie mit Lichtwellenlängen aus dem gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums. Damit erreichten sie eine Empfindlichkeit von bis zu 40 Watt pro Quadratzentimeter.

Die neuen Sensoren liefern nicht nur wichtige neue Einblicke in das grundlegende Verhalten der einzelnen Moleküle bei Lichteinfall. Sie versprechen auch praktische Anwendungen. In der Astronomie könnten sie als hochempfindliche Sensoren in Infrarot-Teleskopen dienen. Dazu müssten die Forscher allerdings den Wellenlängenbereich noch ein Stück ins Infrarote verschieben. Im Bereich der Biochemie könnten die Sensoren eines Tages dazu dienen, so Zhou, Gene zu sequenzieren. Ein einzelner Erbgutstrang könnte dann die Abfolge seiner Basen preisgeben, wenn man die Basen mit fluoreszierenden Markern versähe und ihn quer über ein Feld solch winziger Sensoren legte: Jede Farbe liefert dann eindeutig und automatisch die zugehörige Information und damit die ganze Abfolge des untersuchten Gens.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/news/2009/farbsensoren-mit-trick-aus-der-nanotechnik/