Augsburg/AW/DV/KPP – Dank der hier vor Ort entwickelten und bereits vielfach angewendeten Surface Acoustic Waves-Technologie (SAW) ist die Universit?t Augsburg international als das Epizentrum für ?Nanobeben auf dem Chip“ anerkannt. Durch Hochfrequenzsignale induzierte Schallwellen, die sich an der Oberfl?che eines Chips ausbreiten und empfindlich auf jegliche St?rung auf ihrem Weg reagieren, sind Kern dieser Technologie. Mit ihr ist es in einer Kooperation zwischen Augsburger Physikern und Chemikern und einem Theorie-Kollegen aus Valencia jetzt gelungen, einen neuartigen Sensor zu entwickeln, der es m?glich macht, winzigste Massen und Massen?nderungen in Echtzeit nachzuweisen und zur Isotopentrennung zu verwenden.

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Forscher an den Augsburger Lehrstühlen für Experimentalphysik I und für Festk?rperchemie haben die Nanobeben bzw. die SAW dazu genutzt, ultra-mikropor?se Nanokristallite aus so genannten MOF, das sind metallorganischen Gerüstverbindungen/威尼斯赌博游戏_威尼斯赌博app-【官网】 Organic Frameworks, dann zu wiegen, wenn sie ganz spezifisch mit Gasen beladen werden. Die Oberfl?chenwellen registrieren bei ihrem Durchgang durch diese ?Nano-Schw?mmchen“ in kürzester Zeit nicht nur jegliche Massenver?nderung der Kristallite sondern auch deren Selektivit?t. Auf diese Weise konnten die Augsburger Wissenschaftler jetzt die schwierige Trennung der Isotope eines Gasgemischs aus Wasserstoff (H2) und seines natürlichen Isotops Deuterium (D2, ?schwerer Wasserstoff“) erfolgreich realisieren und nachweisen.

Die MOF sieben, die SAW wiegen

Der Atomkern von Deuterium besitzt im Gegensatz zu Wasserstoff ein zus?tzliches Neutron, die Masse von D2 entspricht deshalb etwa der doppelten von H2, allerdings ohne dass sich dabei die Gr??e der Atome bzw. Moleküle wesentlich ?ndern würde. Begibt man sich in tiefen Temperaturen, in die Welt der Quanten also, so zeigt sich, dass die MOF-Schw?mmchen sich ab 64°K bzw -209°C preferentiell mit D2 vollsaugen. Grund dafür ist ein Quanteneffekt, nach dem diese selektive Gastrennung auch benannt ist: Die MOF agieren unter diesen extremen Bedingungen n?mlich als so genanntes ?Quantensieb“. Wesentlich für das Quantensieben ist, dass sich das Diffusionverhalten von Gasen bei sehr tiefen Temperaturen und durch Bewegung in einem regelm??igen Gitter auf den Kopf stellt: In vollst?ndigem Widerspruch zu unseren Alltagserfahrungen beim Sieben bzw. Filtern verteilen sich die schwereren Teilchen im Quantensieb schneller als die leichteren. Und diese Ver?nderung des Diffusionsverhaltens k?nnen die SAW auf einem dazu speziell entworfenen Chip nicht nur sehr schnell, sondern auch mit h?chster Pr?zison erfassen.

Die eine Welle ungehindert über die Chipoberfl?che, die andere durch den MOF-Filter

Wie die beigefügte Grafik verdeutlicht, werden dazu im Zentrum dieses Chips zwei akustische Wellen (Nanobeben) per Hochfrequenzsignal (≈) durch einen zentralen interdigitalen Transducer generiert. Die eine der beiden Welle wird über einen unbedeckten, nicht 'sensibilisierten' Teil der Chipoberfl?che gejagt, die andere durch den selektiven MOF-Quantensieb (graue Fl?che in der Grafik). Beide Wellen breiten sich dabei mit einer extrem hohen Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde nach links und rechts zu den beiden Enden des Chips hin aus. Die dünne Schicht aus ultrapor?sen, metallorganischen Gerüstverbindungen (MOF), durch die die eine Welle hindurch muss, agiert dabei hoch selektiv als Filterschw?mmchen für Gase. Unterhalb einer bestimmten Temperatur entsteht aufgrund der oben beschriebenen Quanteneffekte die Selektivit?t dieses Filters für die schwerere D2-Komponente und erm?glicht dadurch deren effektive Trennung ?von der H2-Komponente. Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit denen die quantengesiebte bzw. gefilterte Welle einerseits und die ungefilterte andererseits an den Enden des Chips ankommen, um dort detektiert und miteinander verglichen (x) werden zu k?nnen, weisen das Quantensieben in Echtzeit und mit bislang unerreichter Pr?zision nach.

Echzeit-Detektion von Schadstoffen und Umweltgiften

?Beflügelt von diesen hervorragenden Ergebnissen unserer gemeinsamen Experimente, insbesondere davon, dass uns mit ihnen sogar die extrem schwierige Trennung von H2 und D2 in einem Gasgemisch gelungen ist, sehen wir jetzt eine Vielzahl neuer und industriell sowie gesellschaftlich relevanter Anwendungen voraus“, sagt Prof. Dr. Dirk Volkmer, der Chemiker im Team. ?Wir werden unsere neuartigen Sensoren nach ihrer Feuertaufe nun für die Echtzeit-Detektion von Schadstoffen und Umweltgiften weiterentwickeln und optimieren." Der Plan ist, die Sensoren mit einer Vielzahl von unterschiedlich synthetisierten und funktionalisierten MOF-Pixeln zu versehen, die mit dem Miniaturerdbeben auf dem Chip dann selektiv gewogen werden k?nnen. Volkmer: "Von solch einer pr?zisen MOF@SAW-Analyse von Atemluft etwa wird dann auch die medizinische Diagnostik profitieren k?nnen."

"?berf?lliger" Einzug auch in die Chemie

Für Volkmers Physik-Partner, den Nanowissenschaftler und SAW-Pionier Prof. Dr. Achim Wixforth, ist es eine gro?e Genugtuung, "dass unsere Nanoerdbeben über die Nanoelektronik, die Nanomechanik, die Photonik und die Mikrofluidik für medizinische und biophysikalische Fragestellungen hinaus nun endlich auch Einzug in die Chemie gefunden haben – zumal wir kaum zu hoffen gewagt h?tten, dass die Kombination MOF@SAW derart gut funktioniert.“

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Originalpublikation:

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich im renommierten Chemie-Fachjournal ?Chemistry“ als ?Hot Paper“ publiziert: Benjamin Paschke, Dmytro Denysenko,Bj?rn Bredenk?tter, German Sastre, Achim Wixforth, Dirk Volkmer: Dynamic Studies on Kinetic H2/D2 Quantum Sieving in a Narrow Pore 威尼斯赌博游戏_威尼斯赌博app-【官网】–Organic Framework Grown on a Sensor Chip, in: Chemistry. A European Journal, 27 June 2019, http://doi.org/10.1002/chem.201900889