Kurzbeschreibung

Der Spot zeigt einen sensiblen und reproduzierbar funktionierenden Wasserstoffsensor auf Palladium-Basis. Wir verwenden Gold-Nanoantennen, in deren Fokus sich als wasserstoffsensitive Elemente winzige Palladiumzylinder (Durchmesser 60 nm, Höhe 40nm) befinden. Durch diese Anordnung wird die resonante Kopplung der Nanoantenne an den Zylinder genutzt, um winzige Änderungen der Palladium-Eigenschaften bei Kontakt mit Wasserstoff zu verstärken und mit optischen Mitteln sichtbar zu machen.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Wasserstoff ist im Rahmen einer zunehmend regenerativ orientierten Weltwirtschaft einer der wichtigsten Energieträger, da seine Verbrennung mit Sauerstoff nichts als biologisch unbedenklichen Wasserdampf erzeugt.
Diesem hohen Nutzwert von Wasserstoff stehen allerdings erhebliche Gefahren gegenüber: Bei Konzentrationen zwischen 4% und 77% bildet Wasserstoff in Luft ein hochexplosives Gemisch und es kann zu einer sogenannten „Knallgasreaktion“ kommen. Dieses explosive Verhalten war der Grund für den Absturz des Luftschiffs „Hindenburg“ und auch für die Explosionen im Kernkraftwerk von Fukushima.
Für einen sicheren Umgang mit Wasserstoff ist es also essentiell, kontinuierlich seine Konzentration überwachen zu können und diese ständige Detektion muss zuverlässig schon bei geringsten Konzentrationen erfolgen. Zur Realisierung eines solchen hochsensitiven Sensors nutzen wir ein neuartiges nanophotonisches Sensorkonzept, welches in einer kürzlich erfolgten Publikation unserer Gruppe (Na Liu et al., Nature Materials 10, 631–636 (2011)) beschrieben wird.
Das Herzstück des Sensors besteht aus dreieckigen Gold-Nanoantennen (Seitenlänge 110nm), die das einfallende Licht auf einen Bereich von nur wenigen Nanometern Größe fokussieren. In diesen Nanofokus werden winzige Palladiumzylinder (Durchmesser 60nm, Höhe 40nm) positioniert, die ihre physikalischen Eigenschaften bei Absorption von Wasserstoff ändern.
Wenn sich bereits geringe Mengen Wasserstoff in das Palladium einlagern, dehnen sich die Palladiumzylinder aus und ihr optisches Verhalten (ihr Brechungsindex) ändert sich. Diese Änderungen werden mithilfe der Nanoantenne detektiert. Hierbei nutzen wir einen Effekt aus, der als „Plasmonresonanz“ bekannt ist:
Wird eine Metall-Nanostruktur mit Licht der passenden Wellenlänge angeregt, können sich kollektive Schwingungen der Elektronen im Metall ausbilden. Eine solche Resonanz macht sich als scharfes Signal im reflektierten Spektrum und durch eine starke Überhöhung des elektrischen Feldes rings um die Nanostruktur bemerkbar. Wegen dieser Feldüberhöhung und der durch die dreieckige Form bedingten Nanofokussierung wird die Resonanz stark von ihrer direkten Umgebung und damit von den Veränderungen im Palladiumzylinder beeinflusst.
Die bereits genannte, wasserstoffbedingte Vergrößerung des Palladiumzylinders führt nun also zu einer deutlichen spektralen Rotverschiebung der Resonanzfrequenz. Durch Messung des an der Sensorstruktur gestreuten Lichts kann diese Verschiebung bestimmt und somit die Wasserstoffkonzentration mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Durch die Schärfe der plasmonischen Resonanz und die einfache Detektierbarkeit optischer Signale ist es uns damit gelungen, einen zuverlässigen und hochsensitiven Wasserstoffsensor herzustellen.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

“Leben mit nano” interpretieren wir so, dass wir uns die Frage stellen: Wie kann man Nanotechnologie nutzen, um das Leben von jedem einzelnen von uns besser zu machen?
“Grüne Mobilität” ist ein großes Thema, die Folgen der Klimaerwärmung werden langsam spürbar – und aktuell ärgern wir uns auch alle über die zu hohen Spritpreise. Seit einigen Jahren wird nun schon an Alternativen zu fossilen Energieträgern geforscht, wobei vor allem Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft angesehen wird.
Der große Vorteil von Wasserstoff sind seine unschädlichen Verbrennungsprodukte – Wasser. Sein großer Nachteil ist allerdings seine hohe Explosivität. Damit der „grüne Energieträger“ Wasserstoff in unseren Alltag Einzug erhalten kann, ist es fundamental wichtig, schnelle und zuverlässige Wasserstoffsensoren zu entwickeln, die auch schon kleinste Mengen des explosiven Gases detektieren können. Unser Kurzfilm zeigt eine Möglichkeit, wie ein solcher Sensor aussehen könnte.
“Der Mensch zwischen Natur und Hightech” klingt wie ein Spannungsfeld, doch bei genauerer Betrachtung liegen Natur und Hightech gar nicht so weit auseinander. Damit der Mensch weiterhin eine intakte Natur genießen kann, ist heutzutage Hightech notwendig. Wir benötigen Hightech, um die Fehler unserer Vergangenheit rückgängig zu machen, wir benötigen Hightech, um in unserer Zukunft diese Fehler nicht mehr begehen zu müssen.
Das von uns vorgestellte Stück Hightech ist ein kleiner Schritt in eine grünere, eine bessere Welt. Ein Schritt hin zur Natur.