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Eine gute Antenne für intelligenten Textilien

Bauteil mit einer integrationsfähigen Anordnung von selbstorganisiert aufgerollten GMI-Sensoren. Die einzelnen Elemente sind ca. 1 mm lang. Bild: IFW Dresden
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Forschung | Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und der Technischen Universität Chemnitz forschen an dünnen Nanomembranen, die sich selbst zu Mikro- und Nanoröhren aufrollen. Sie eröffnen neue Möglichkeiten für smarte Textilien.

Sabine KollJournalistin in Böblingen

Dünne Schichten, die sich selbst zu Röhrchen aufrollen, sich mit großer Präzision selbstorganisiert auf Chips anordnen und als integrierte Bauelemente vielerlei Funktionen ausüben – das ist das Metier von Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften des IFW Dresden und Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz.
In seinen jüngsten Arbeiten, die gemeinsam mit seinen Forscherteams in Dresden und Chemnitz entstanden sind, wird das Innovationspotential dieser aufgerollten Strukturen in der Medizintechnik offenbar. „Die Kernidee beruht auf der Kombination flexibler Polymermembranen und verschiedener metallischer bzw. magnetischer Dünnschichten“, erklärt Schmidt, „Diese Synergie eröffnet völlig neue Horizonte und erlaubt die Gestaltung einer faszinierenden Klasse von Sensoren, Antennen und integrierten Schaltkreisen mit einer neuartigen Funktionalität der Verformbarkeit.“
Ein Anwendungsfeld aufgerollter Strukturen ist der Einsatz als miniaturisierte biokompatible Antennen, die Informationen zu physiologischen Prozessen wie zum Beispiel zur Wundheilung erfassen, bewerten und an den Arzt oder den Patienten selbst senden. Schmidt und seine Kollegen haben für diese Anwendung spiralförmige Antennen entwickelt. Sie haben einen Durchmesser von nur 0,2 mm und sind 5,5 mm lang. Damit können die Spiralantennen auf einfache Weise mit üblichen Spritzen implantiert werden. Sie arbeiten im Frequenzband von 5,8 und 2,4 GHz und weisen die in der Elektrotechnik übliche Impedanz von 50 Ohm auf. Die Forscher konnten zeigen, dass die Signalübertragung zwischen einzelnen Antennen und zwischen Antenne und Smartphone zuverlässig funktioniert. Da die Antennen in selbstorganisierenden Prozessabläufen herstellbar sind, kann eine kostengünstige Produktion in großen Stückzahlen realisiert werden.
Tragbare Großflächensensoren werden möglich
Ein anderes Beispiel sind neuartige miniaturisierte Magnetsensoren, bestehend aus dünnen Nickel- , Eisen- und Kupferschichten, die auf einem Polymersubstrat abgeschieden werden und sich anschließend durch Erzeugung einer inneren Spannung selbstorganisiert zu Mikroröhrchen aufrollen.
Die so entstandenen 3D-Architekturen aus aufgerollten Nickel-, Eisen- und Kupferschichten zeichnen sich durch eine besondere magnetische Eigenschaft aus, die für die Anwendung in der Medizintechnik, insbesondere in der neurologischen Diagnostik, von größtem Interesse sein dürfte: den so genannten GMI-Effekt. Der Name leitet sich vom englischen Begriff Giant Magneto Impedance ab und bedeutet so viel wie Riesen-Magnet-Impedanz. Er bedeutet, dass sich der Wechselstromwiderstand eines ferromagnetischen Leiters oder Schichtsystems unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes vergleichsweise stark ändert. Dieser Effekt kann genutzt werden, um winzige Magnetfeldänderungen, wie sie zum Beispiel in Folge von Gehirnströmen entstehen, zu detektieren. Die aufgerollten GMI-Sensoren können Grundlage einer neuen Generation von Magneto-Enzephalografie-Geräten (MEG) sein.
Konventionell in der neurologischen Diagnostik eingesetzte MEGs basieren auf supraleitenden Komponenten, die mit Helium gekühlt werden müssen und entsprechend teuer in der Anschaffung und im Betrieb sind. Der größte Vorteil der neuen GMI-Sensoren ist, dass sie aufgrund der einfachen Bau- und Funktionsweise in einem viel geringeren Abstand zum Objekt platziert werden können. Während konventionelle MEGs Magnetfeldänderungen im Abstand von ca. 50 Millimetern messen, könnten die neuen GMI-Sensoren auf eine Distanz von 10 mm platziert werden und empfangen damit ein viel stärkeres magnetisches Signal.
Durch die Miniaturisierung des Sensors könnten MEG-Geräte künftig auch transportabel werden. Schmidt: „Unsere Entwicklung hat gegenüber heutigen Messmethoden mehrere Vorteile: Aus den Mini-Röhren lassen sich kostengünstigere Messgeräte entwickeln, denn sie müssen nicht mit Helium gekühlt werden, wie herkömmliche MEG-Geräte, und sie sind voll integrierbar: Alle Röhrchen sind fertige Sensoren, die parallel und in hoher Stückzahl in neuartige Messgeräte eingebaut werden können, zum Beispiel in ein mobil einsetzbares Gerät oder in einen Großflächensensor, der über den gesamten Kopf gestülpt werden kann.“ ■
Mehr zum IFW Dresden: www.ifw-dresden.de
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