Wissenschaftler entwickeln bahnbrechenden Sensor, der drahtlos chemische Kampfstoffe erkennen kann

Ein Durchbruchssensor, der die SAW-Technologie nutzt, ermöglicht die drahtlose, hochsensible Erkennung chemischer Kampfstoffe und markiert einen großen Fortschritt in der Sicherheitstechnik, indem er eine effiziente und zuverlässige Überwachung in schwierigen Umgebungen ermöglicht. (Künstlerkonzept). Quelle: SciTechDaily.com

Forscher haben einen revolutionären Sensor entwickelt, der in der Lage ist, chemische Kampfstoffe drahtlos zu erkennen, was einen großen Fortschritt in der Technik für die öffentliche Sicherheit darstellt. Dieses innovative Gerät, das in der Lage ist, Stoffe wie Dimethylmethylphosphonat (DMMP) zu identifizieren, bietet ein neues Maß an Effizienz und Zuverlässigkeit bei der Überwachung und Reaktion auf chemische Bedrohungen, ohne dass direkte Stromquellen oder physische Verbindungen benötigt werden.

Der dringende Bedarf an fortschrittlicher Erkennung von chemischen Kampfstoffen (CWAs) zur Gewährleistung der globalen Sicherheit hat zur Entwicklung eines neuartigen Gassensors geführt. Dieser Sensor zeichnet sich durch seine schnelle Reaktion, hohe Sensibilität und kompakte Größe aus, die für die frühzeitige Erkennung von CWAs entscheidend sind. Genau Erkennung und Überwachung von CWAs sind für effektive Abwehrmaßnahmen, sowohl militärischer als auch ziviler Art, von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der gefährlichen Eigenschaften der CWAs ist die Forschung in der Regel auf autorisierte Labors beschränkt, die Simulanzien verwenden, die die chemische Struktur von CWAs ohne deren toxische Wirkungen nachahmen.

Eine kürzlich durchgeführte Studie, die von einem Team von Experten geleitet wurde und am 3. Januar 2024 in der Zeitschrift Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht wurde, hat einen wegweisenden Sensor entwickelt, der chemische Kampfstoffe drahtlos identifiziert und so die Sicherheitsmaßnahmen revolutioniert. Dieses Gerät erkennt effizient DMMP, was die Fähigkeiten zur Bedrohungsreaktion verbessert, ohne sich auf Stromquellen oder Verbindungen verlassen zu müssen.

In der Studie haben die Forscher ein passives, drahtloses Sensorsystem mit der Oberflächenwellentechnologie (SAW) entwickelt, das darauf abzielt, die Erkennung chemischer Kampfstoffe zu revolutionieren, indem es gezielt Dimethylmethylphosphonat (DMMP), ein Simulans für Nervengifte, ins Visier nimmt. Dieser Sensor arbeitet bei 433 MHz und verwendet eine einzigartige Beschichtung aus fluoralcohol polysiloxane (SXFA) auf einem Lithium-Niobat-Substrat, was seine Empfindlichkeit und Stabilität unter verschiedenen Umweltbedingungen erhöht.

Schematische Darstellung und Arbeitsprinzip des vorgeschlagenen SAW-Chemiesensors. Quelle: Microsystems & Nanoengineering

Das Herzstück des Systems ist ein YZ-Lithium-Niobat-Substrat, das mit metallischen Interdigitalwandler (IDTs) und einer angebrachten Antenne ausgestattet ist. Die Wechselwirkung des SXFA-Films mit DMMP verändert die Eigenschaften der SAW, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit, und ermöglicht so eine präzise Erkennung. Diese Konstruktion gewährleistet einen stabilen Betrieb innerhalb eines Übertragungsbereichs von 0-90 cm und ist widerstandsfähig über einen weiten Temperaturbereich (-30 °C bis 100 °C) und Luftfeuchtigkeitsgrade bis zu 60 % RH.

Laut dem Forschungsteam stellt dieses Sensorsystem einen bedeutenden Sprung nach vorn in der Technologie zur Erkennung von CWAs dar. Seine passive, drahtlose Natur ermöglicht den Betrieb in unzugänglichen oder gefährlichen Gebieten und gewährleistet so Sicherheit und Effizienz.

Diese Technologie hat ein enormes Potenzial im militärischen und zivilen Verteidigungsbereich und bietet ein zuverlässiges, effizientes Mittel zur frühzeitigen Erkennung von CWAs. Ihre Fähigkeit, drahtlos und in herausfordernden Umgebungen zu arbeiten, macht sie zu einem wertvollen Werkzeug für die Gewährleistung der öffentlichen Sicherheit und der Vorbereitung auf chemische Bedrohungen.

Referenz: „Ein passives drahtloses Oberflächenwellen (SAW)-Sensorsystem zur Erkennung von Kampfstoffen auf der Basis von Fluoroalkohol-Polysiloxan-Filmen“ von Yong Pan, Cancan Yan, Xu Gao, Junchao Yang, Tengxiao Guo, Lin Zhang und Wen Wang, 3. Januar 2024, Microsystems & Nanoengineering. DOI: 10.1038/s41378-023-00627-8