Forschung -

Hydrogel integriert Nanomaterialien in elektronische Schaltungen

Hydrogel ist in der Lage, Nanomaterialien aufzunehmen und für elektronische Schaltungen nutzbar zu machen. In Sensoren könnte damit beispielsweise eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht werden. Forscher entwickelten zur Demonstration einen Transistor mit Hydrogel und darin eingebetteten Goldnanopartikeln.

Ein Hydrogel ist ein wasserunlösliches, aber Wasser enthaltendes Polymer, dessen Moleküle dreidimensional vernetzt sind. Bei Kontakt mit einem wässerigen Medium lassen seine hydrophilen Komponenten das Material beträchtlich aufquellen. Der osmotische Vorgang ändert auch andere physikalische Eigenschaften wie Dichte, Elastizität, Brechungsindex und elektrische Leitfähigkeit. Ähnliche Veränderungen treten in Abhängigkeit von der Temperatur oder der induzierten elektrischen Ladung auf. Mechanische Verformungen rufen eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels hervor. Es hat sich gezeigt, dass das Material dadurch als Stromquelle oder flexibler Touchscreen eingesetzt werden kann.

Forscher der University of Utah haben die besonderen Eigenschaften des Hydrogels eingesetzt, um einen Metalloxid-Hydrogel-Feldeffekttransistor (Mohfet) zu fertigen. Wegen seiner Kompressibilität bezeichnen sie ihn als ‚schwammig‘. Das Gel ermöglicht das Einbringen von Goldnanopartikeln (AuNP) in den Kanal des Transistors und stellt eine schwach leitende, elastische Verbindung zwischen den AuNP und den Elektroden her. Die elektrischen Schalteigenschaften können über die Temperatur eingestellt werden. Mithilfe der nicht-linearen feldabhängigen Leitfähigkeit des Hydrogels kombiniert mit der metallischen der AuNP kann das Gate-Feld den Kanal effektiv ansteuern.

Bei ausreichend hoher Drain-Source-Spannung wird der Kanal leitend. Wenn die AuNP-AuNP- oder AuNP-Elektroden-Abstände unter 1 nm betragen, kann der Strom mittels Direct Tunneling fließen. Die leicht positive Ladung der AuNPs zieht die Partikel bei negativer Gate-Spannung näher zur Gate-Grenzfläche. Die größte Herausforderung besteht darin, die richtige Gelstruktur und Nanopartikeldichte zu finden, um die Widerstandsdifferenz zwischen Ein- und Ausschalten zu erhöhen. Bislang erreichen Mohfets nicht die Ein-/Aus-Verhältnisse oder die Geschwindigkeit von siliziumbasierten Schaltern.

Die Synthetisierung von Quantenpunkten, Nanopartikeln, Nanoröhren und Nanodrähten ist bereits möglich. Hydrogele sollen in Zukunft diese Materialien in elektronische Bauelemente integrieren. Laut Massood Tabib-Azar, Professor für Biomedical Engineering, sind die wichtigsten Anwendungen für Hydrogelschalter biomimetische Sensoren, die lebende Organismen nachahmen. „Beispielsweise ist ein Hai in der Lage, eine Spannung von 5 nV/cm zu erkennen. Dies entspricht 1 V über 2000 km.“, sagt er. Eine ebenso hohe Empfindlichkeit verspricht sich der Professor von den Hydrogelkomponenten. Die Forschungsgruppe will in weiteren Projekten Hydrogelelektronik für Magnetometer in der medizinischen Bildgebung entwickeln.

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