Hochsensitive und hochselektive chemische Sensoren: Split-Ring-Resonatoren mit porösen Koordinationsgerüsten

• Antragsteller: Dr. Andreas Schaate, seit 2/2023; Professor Dr.-Ing. Stefan Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511400779

Chemische Sensoren sind heute in nahezu allen Bereichen unserer Gesellschaft zu finden und wichtige Zukunftsthemen, wie Klimawandel, Gesundheit, Sicherheit und Digitalisierung, benötigen immer leistungsfähigere chemische Sensoren. Für den sicheren Nachweis kleinster Stoffkonzentrationen werden insbesondere Sensoren mit höchster Sensitivität und Selektivität benötigt. Dieses Vorhaben konzentriert sich daher auf die Erforschung eines neuen Sensorkonzeptes, das die hohe Sensitivität von Split-Ring-Resonatoren gegenüber Änderungen der dielektrischen Materialeigenschaften im Bereich der Schlitzkapazität mit höchstselektiven nanoporösen Koordinationsgerüsten kombiniert, die Zielmoleküle sehr spezifisch binden und dadurch ihre elektromagnetischen Eigenschaften ändern. Das Vorhaben verknüpft somit zwei hochaktuelle Themen der Sensorforschung: zum einen die Entwicklung hochsensitiver Transducer in Form von Split-Ring-Resonatoren, die durch neue Resonatortopologien, wie gekoppelte Schlitzkapazitäten und dreidimensionale Strukturen, und neue Messkonzepte zur kontinuierlichen Erfassung der Resonanzfrequenz, wie differentielle Anordnungen, aktive Schaltungsvarianten und spezielle Modulations- und Anregungsmethoden, höchste Sensitivität erreichen; zum anderen die Entwicklung von neuartigen Sensormaterialien in Form von nanoporösen Koordinationspolymeren, die zwar auf der bekannten Klasse der metall-organischen Gerüste beruhen, aber eine deutlich höhere Komplexität aufweisen und so dem Zielmolekül eine genau nach seinen Bedürfnissen maßgeschneiderte Umgebung anbieten. Dies soll zu höchster Selektivität führen, wie sie sonst nur in biologischen Erkennungsprozessen auftritt. Structural Modelling und Simulationen der Molekulardynamik dienen vor der eigentlichen Synthese dazu, solche maßgeschneiderten Erkennungsgeometrien zu finden und zu optimieren. Die regioselektive Synthese solcher Koordinationspolymere, die mehrere verschiedene organische Brückenmoleküle enthalten, ist herausfordernd und erfolgt auf der Basis neu entwickelter Synthesestrateigen. Neben der grundlegenden Erforschung neuer, für die chemische Sensorik passender Split-Ring-Resonatoren und neuer nanoporöser Koordinationspolymere als Sensormaterial zielt das Vorhaben auch auf die Realisierung und experimentelle Charakterisierung erster Sensoren nach diesem Konzept für ausgewählte Zielmoleküle in der Gasphase.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Peter Behrens, bis 2/2023 (†)