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Posts Tagged ‘Messtechnik’

anatomy-1751201.pngDie Sensortechnologie richtet sich neu aus: Sensorintelligenz, Dezentralisierung, Multisensorsysteme und Miniaturisierung sind die Anforderungen, die Sensoren zukünftig erfüllen müssen. Hintergrund für den Paradigmenwechsel in der Sensortechnologie sind neue Ansätze in der Prozesstechnik, die der Philosophie von „Industrie 4.0“ und „Internet der Dinge“ folgen: Auch in der Bioverfahrenstechnik sollen Prozesse zukünftig integriert und kontinuierlich laufen und möglichst in Echtzeit gesteuert und optimiert werden. Die Biotechnologie stellt dabei besonders hohe Ansprüche an Produktqualität und –sicherheit; gleichzeitig sind die Prozesse und Strukturen teils hochkomplex. Eine Vielzahl an Messdaten allein nützt wenig; die Datenflut muss gleichzeitig ausgewertet und die Ergebnisse in den Prozess zurückgespeist werden. Sogenannte „Smart Sensors“ sind in der Lage, nicht nur zu messen, sondern auch Aufgaben der komplexen Signalverarbeitung zu übernehmen und zusätzliche Informationen über sich und die Prozessumgebung bereitzustellen. Diese erweiterte „Sensorintelligenz“ umfasst Selbstdiagnose, die Ausführung dezentraler Logikfunktionen, die eigenständige Validitätsprüfung der Messwerte, die Selektion und Bewertung von Prozessprofilen bis hin zur Vorhersage von Prozessabläufen und die direkte Interaktion mit zugeordneten Akteuren über dezentrale Steuereinheiten. Damit die Vision des Smart Sensors Wirklichkeit werden kann, sind allerdings noch einige Hürden zu überwinden – vom Nachweis der Prozess und Produktsicherheit über Schnittstellengestaltung und Standards für Daten bis hin zur Datensicherheit.

Was genau Sensoren der Zukunft können müssen, ist nachzulesen im Positionspapier „Smarte Sensoren für die Biotechnologie“ der DECHEMA-Fachgruppe „Messen und Regeln in der Biotechnologie“

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Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet...

Für Spätzle super, für Nanopartikel ungeeignet…

Wie man Kieselsteine aus Sand herausbekommt, weiß jedes Kind: Mit dem Sieb lassen sie sich leicht trennen. Auch Gold kann man von Sand abtrennen, in dem man es „wäscht“; in diesem Fall ist es die unterschiedliche Dichte, auf der die Trennung beruht.

Was aber, wenn man Puderzucker und Mehl voneinander trennen möchte? Zum Sieben sind die Größen- und Massenunterschiede nicht groß genug, die feinen Partikel neigen außerdem dazu, zusammen zu klumpen, also Aggregate zu bilden.

Vor noch viel größeren Problemen steht, wer Nanopartikel im Größenbereich< 20 nm klassieren, also nach Form und Größe sortieren will. Parameter wie die Masse oder Dichte spielen hier eine sehr untergeordnete Rolle. Stattdessen kommen andere Einflüsse wie molekulare Wechselwirkungen oder elektrostatische Kräfte noch viel stärker zum Tragen. Weil die Eigenschaften von Nanopartikeln aber von ihrer Form und Größe entscheidend beeinflusst werden, ist die „Sortierung“ besonders wichtig – man denke nur an Halbleiter oder an Solarzellen, wo große „Klumpen“ die Effizienz senken. Bisher gibt es dafür aber noch keine technisch ausgereiften Verfahren.

Forscher an der Universität Erlangen-Nürnberg wollen das ändern. Sie arbeiten an einem Verfahren zur chromatographischen Trennung von Nanopartikeln nach Form und / oder Größe. Das Prinzip ist einfach: Eine Chromatographiesäule wird mit einer festen Phase bestückt, die festgelegte Porengrößen hat. Je nach ihrer Größe bzw. Form können die Nanopartikel in diese Poren eindringen oder eben nicht. Die, die es nicht können, laufen einfach durch; die anderen machen auf dem Weg durch die Säule diverse „Umwege“ durch die Poren und kommen so deutlich später am Ende an. Dieser Effekt lässt sich zusätzlich beeinflussen, indem man Zusatzstoffe verwendet, die sich an die Oberfläche der Nanopartikel heften und deren Beschaffenheit verändern. In der Biotechnologie wird das bereits erfolgreich für die Klassierung von Proteinen eingesetzt. Die Wissenschaftler wollen nun beispielhaft ein Klassierungssystem für Zinksulfid-, Zinkoxid- und Gold-Nanopartikel entwickeln. Ziel ist es, Unternehmen ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das im technischen Maßstab und kontinuierlich die Klassierung von Nanopartikeln erlaubt. Es könnte bisherige sehr aufwändige Analysemethoden ersetzen und gleichzeitig neue Produktqualitäten erschließen.

Mehr zum Projekt Klassierung von Nanopartikeln (NP) mit Hilfe chromatographischer Verfahren (IGF-Nr. 18037 N)

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Human-nose_Public DomainGeht es um Lebensmittelaromen oder Parfumkompositionen, ist die Nase ungeschlagen. Doch wer Spuren von CO oder NO finden will, sollte auf Halbleitergassensoren setzen. Ihr Prinzip: Die Leitfähigkeit der Sensoroberfläche verändert sich, wenn sich ein Gas daran anlagert. Damit die Sensoren auf unterschiedliche Gase „anspringen“, kann man die Zusammensetzung der Oberfläche – eine ganze Palette an Metalloxiden steht zur Auswahl – so wählen, dass sich verschiedene Gase unterschiedlich stark anlagern. Sehr selektiv sind diese Sensoren jedoch in aller Regel nicht. Und sie sind häufig auch nicht langzeitstabil; deswegen können sie für manche sicherheitstechnische Anwendungen – z.B. bei der Branderkennung in Kohlekraftwerken oder der Untersuchung von Atemgasen – nicht eingesetzt werden. Könnte man die Sensoren jedoch überwachen, so dass ein Leistungsabfall gleich erkannt würde, könnte man ihre Einsatzbreite erheblich ausdehnen. Das wollen Wissenschaftler der Universität des Saarlandes in einem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung angehen.
Parallel zur einfachen Leitfähigkeitsmessung sollen dabei weitere Messverfahren zum Einsatz kommen (z.B. die Impedanzspektroskopie im temperaturzyklischen Betrieb). Die Signale der verschiedenen Verfahren hängen immer von der Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und Sensoroberfläche ab, aber die Zusammenhänge sind je nach Gas so unterschiedlich, dass es möglich sein sollte, zwischen Änderungen in der Gaszusammensetzung und Veränderungen des Sensors zu unterscheiden.
Die Forscher gehen davon aus, dass besonders innovative KMU von diesem Projekt profitieren werden. Die Einsatzmöglichkeiten von Halbleitergassensoren würden dadurch erweitert, und die Projektergebnisse sollen sich in verschiedensten Branchen nutzen lassen.
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Im Projekt des Monats Februar haben wir erfahren, wie man Nanopartikel schon während der Herstellung vermessen kann. Nicht nur die Größe einzelner Teilchen und die von Teilchenklumpen ist interessant, sondern auch die Form der Partikel. Nanopartikel gibt es in allen möglichen Formen: rund, länglich, nadelförmig…

Damit kann man Nanopartikel nicht vermessen – neue Methoden müssen her.

Die Wirkung von Nanopartikeln hängt stark von ihrer Form ab. Wenn man aber ein Messverfahren entwickelt, das Größe und Form von Nanopartikeln bestimmen soll, woher weiß man, dass man auch richtig misst? Dafür braucht man sozusagen „geeichte“ Nanopartikel und Nanopartikelaggregate zum Testen. Und es gibt auch dazu ein Projekt: Wissenschaftler arbeiten im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung daran, neue Aerosolreaktoren zu entwickeln. Diese Reaktoren soll feinverteilte Nanopartikel herstellen, die bestimmte Formen haben. In Kaiserslautern baut man einen Generator für nadelförmige Partikel, in Karlsruhe will man fraktale Teilchen erzeugen, also welche mit einer sehr fein strukturierten Oberfläche. Das Prinzip: Das Material für die Nanopartikel oder seine Ausgangsstoffe werden verdampft. Entweder entstehen die Keime für die Nanopartikel durch Kondensation oder durch chemische Reaktionen in der Gasphase. Das weitere Wachstum (und damit auch die Form) lassen sich durch den Prozess, zum Beispiel durch die Temperatur, die Fließgeschwindigkeit der Gase oder die Konzentration, steuern.

In Dresden forscht man an Messgeräte-Kombinationen, die die verschiedenen Partikelformen erkennen können. Dafür kommen verschiedene spektroskopische Verfahren in Frage, außerdem auch optische und bildgebende Methoden.

Das Projekt bildet die Grundlage dafür, das weitere Vorgehen zur Entwicklung eines validen Messverfahrens zu planen. Dazu gehört zum Beispiel abzuschätzen, wie groß der Aufwand für die Entwicklung einer technisch einsetzbaren Messmethode sein würde und welchen Nutzen sie liefern könnte. Ziel ist es, eine flexible und mobile sowie wirtschaftliche Messtechnik zu entwickeln, die in verschiedenen Branchen zum Einsatz kommen und vor allem auch von KMU genutzt werden könnte.

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Gleiches Volumen, aber viel mehr Oberfläche: Nanopartikel verhalten sich auf ganz eigene Weise

Gleiches Volumen, aber viel mehr Oberfläche: Nanopartikel verhalten sich auf ganz eigene Weise

Ob Sonnencreme, Autolack oder Krebsmedikamente: Nanopartikel stecken mittlerweile in vielen Produkten und verbessern deren Eigenschaften. Damit das funktioniert, muss aber sichergestellt sein, dass die Nanopartikel auch immer die gewünschte Form und Größe haben. Nanopartikel neigen wegen ihrer großen Oberfläche dazu, zu verklumpen und so genannte Aggregate zu bilden. Teilweise ist dieser Effekt für die Produkte sogar erwünscht. Solche Aggregate schon während der Herstellung der Nanopartikel zu vermessen, ist bisher außerordentlich schwierig, denn es gibt noch keine Methode, die über den gesamten Größenbereich der Aggregate zuverlässige Informationen liefert.

Ein Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung an der Universität Erlangen soll deshalb neue Messmethoden für solche Aggregate entwickeln. Dafür werden verschiedene optische Verfahren kombiniert.

Die elastische Lichstreuung ermöglicht es, die Größe der Aggregate zu bestimmen. Auch über Extinktion lassen sich Partikelgrößen messen. Kombiniert wird sie mit der laserinduzierten Inkandeszenz. Bei diesem Verfahren werden die Nanopartikel durch einen kurzen Laserpuls erhitzt. Die thermische Strahlung bzw. die Abkühlung der Partikel kann man messen und daraus ihre Konzentration  und Größe der einzelnen Partikel ableiten.

Das Projekt zielt darauf, neue mobile Messgeräte zu entwickeln. Sie können dann in verschiedenen Produktionsverfahren für Nanopartikel vor allem bei kleinen und mittelständischen Unternehmen eingesetzt werden. Wie man herausfindet, ob solche Messgeräte auch funktionieren, wird Thema im Projekt des Monats März.

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