Mesoporöse Hydrogele aus Mikroemulsionen und verwandten Strukturen für hydrogelbasierte piezoresistive Sensoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerald Gerlach
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382408767

Hydrogele sind vernetzte Polymere, die reversibel große Mengen an Wasser aufnehmen können. Die Wasseraufnahme ist mit einer großen Volumenzunahme verbunden. Damit eignen sich Hydrogele hervorragend für sensorische und aktorische Anwendungen, besonders da sich gezeigt hat, dass sich Hydrogele unkompliziert in Mikrosysteme integrieren lassen.Die Quellung großer Hydrogelvolumina führt zu detektierbaren Kräften, die mittels eines Sensors bestimmt werden oder aktorische Komponenten antreiben können. Aus den Diffusionseigenschaften des Wassers und der chemischen Spezies in der vernetzten Polymerstruktur des Hydrogels resultieren jedoch sehr lange Ansprechzeiten. Schnelligkeit steht somit einer hohen Sensitivität entgegen.Einen Ausweg bietet die Verwendung poröser Hydrogele, die die kooperative Diffusion beschleunigen. Poröse Hydrogele in hydrogelbasierten piezoresistiven Sensoren zeigten in Vorarbeiten deutliche Verbesserungen. So konnte die Ansprechzeit eines pH-Sensors auf Basis eines makroporösen Acrylsäure-Acrylamid-basierten Hydrogels erheblich verkürzt werden. Allerdings verringerte sich die Sensitivität des piezoresistiven pH-Sensors aufgrund der geringeren mechanischen Steifigkeit der Hydrogelschichten. Die bisherige Synthese poröser Schichten erfolgte mit Hilfe von Porogenen, die eine Phasenseparation während der Polymerisation einleiten. Der Einsatz von Porogenen führt bei den untersuchten Materialien zu Makroporosität. Methodenbedingt kann die Einstellung der Porengrößen und Porengrößenverteilung jedoch nur unzureichend kontrolliert werden.Eine Möglichkeit der Synthese von Hydrogelschichten mit definierter Porengeometrie stellt die im Folgenden beschriebene Templatmethode dar. Dabei werden Gemische von organischem Lösungsmittel, Wasser und Tensid hergestellt, die bei bestimmten Zusammensetzungen stabile, transparente Lösungen bilden, in denen definierte Aggregatstrukturen entstehen (Mizellen, Stäbchenmizellen, bikontinuierliche, lamellare, hexagonale und kubische Phasen). Durch das Einbringen von Monomeren oder Polymeren in die wässrige oder organische Phase der Lösung können diese Aggregatstrukturen als Template für die Herstellung mesoporöser Hydrogele unterschiedlicher Morphologie genutzt werden.Mit Hilfe dieser Methode liegen einerseits definierte Template bereits vor der Polymerisation vor und wird andererseits das Hydrogelvolumen im Gesamtvolumen der Gelschicht durch den Übergang von Makroporen zu Mesoporen erhöht. Dies kann diese Templatmethode zur bevorzugten Herstellungsmethode für schnelle und sensitive Hydrogele in der Mikrosystemtechnik machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Stefan Zschoche