Gezeichnete Illustration: Mikrochip-Komponenten sind mit dem Inneren eines aufgeschnittenen Pflanzenblattes verbunden.

Hochempfindlicher Temperatursensor aus Pflanzenzellen

Pflanzen haben im Vergleich zu technischen Temperatursensoren die Fähigkeit, selbst auf außerordentlich geringe Temperaturunterschiede mit Änderungen in der Leitfähigkeit ihrer Zellen zu reagieren. Wissenschaftler der ETH Zürich haben sich solcher temperaturempfindlicher pflanzlicher Zellen bedient, um einen extrem sensiblen Temperatursensor zu entwickeln. Sie haben dabei die Eigenschaften dieser Zellen nicht bloß nachgeahmt, sondern ein Hybridmaterial entwickelt, das neben synthetischen Komponenten auch die pflanzlichen Zellen selbst enthält. Ihre Ergebnisse haben sie nun in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Schwarz-Weiß-Bild einer rauhen Oberfläche eines uneben begrenzten Stücks Materie aus mehreren unregelmäßigen Schichten.
Elektronenmikroskopische Aufnahme des Sensormaterials

Das Ergebnis ist ein elektronischer Baustein, der seine Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. „Bei keinem anderen Sensor führen so geringe Temperaturschwankungen zu so großen Änderungen der Leitfähigkeit, unser Sensor reagiert mindestens hundertmal stärker als die besten existierenden Sensoren“, erklärt Erstautor Raffaele Di Giacomo. Der Sensor kann sogar warme Körper auf Distanz erkennen. Er registrierte im Test eine Hand in einer Entfernung von wenigen Dutzend Zentimetern. Seine Leitfähigkeit hing dabei direkt von der Distanz zur Hand ab. Die möglichen Anwendungen, so die Forscher, reichen von berührungslosen Bedienelementen bis hin zu Wärmebildkameras oder Nachtsichtgeräten.

Die pflanzliche Materie wurde in ein unveränderliches, trockenes Material überführt, indem die Zellen in einem Medium wachsen gelassen wurden, das sehr kleine, elektrisch leitende Nanoröhrchen aus Kohlenstoff enthielt. Diese bildeten ein Netzwerk zwischen den Tabakzellen und waren außerdem in der Lage, deren Zellwand zu durchdringen. Schließlich wurde das so präparierte Material getrocknet und bildete eine holzähnliche Konsistenz aus. Wie bei den in Kultur lebenden Tabakzellen ist die Leitfähigkeit des Materials temperaturabhängig und dabei extrem empfindlich.

Für die Temperaturempfindlichkeit in den lebenden Tabakzellen – sowohl in Kultur als auch im getrockneten Sensormaterial – spielen den Wissenschaftlern zufolge Ionen und sogenannte Pektine eine Schlüsselrolle. Pektine sind Zuckermoleküle, die in der Zellwand von Pflanzen vorkommen und sich zu einem Gel vernetzen können, wobei diese Vernetzung temperaturabhängig ist. In diesem Gel befinden sich Kalzium- und Magnesiumionen. „Mit zunehmenden Temperaturen nimmt die Vernetzung der Pektine ab, das Gel wird weicher, und die Ionen können sich freier bewegen“, erklärt Di Giacomo. Als Folge davon leitet das Material bei höheren Temperaturen Strom besser. Ziel der Forscher ist es nun, einen Sensor zu entwickeln, der ohne pflanzlichen Ausgangsstoff im Wesentlichen nur mit Pektin und Ionen funktioniert.