Farbe

Ein einfacher Farbwechsel könnte dank eines neuen Sensors, der von Forschern in Deutschland entwickelt wurde, auf das Vorhandensein von potenziell gefährlichem Wasserstoffgas hinweisen. Das mikrometergroße Gerät, das sogenannte „Suprapartikel“ verwendet, die sich in Gegenwart von Wasserstoff von Lila zu Rosa verfärben, könnte dazu beitragen, Explosionen zu verhindern, indem es die Erkennung und Lokalisierung von Lecks an Tankstellen, Generatoren und Pipelines erleichtert.

Mit erneuerbarer Energie erzeugter Wasserstoff ist ein umweltfreundlicher Kraftstoff und könnte eine wichtige Rolle beim Übergang zu nachhaltigeren Energiequellen spielen. Es ist jedoch extrem entzündlich und in Gegenwart von Luft potenziell explosiv, und aufgrund seiner farb- und geruchlosen Beschaffenheit ist es schwer zu erkennen. Optische Wasserstoffsensoren verwenden in der Regel komplexe Strukturen wie Nanoantennen, Lichtquellen, optische Fasern und elektronische Steuergeräte, um ein optisches Signal in eine lesbare Reaktion umzuwandeln, während „gasochrome“ (d. h. farbverändernde) Wasserstoffsensoren oft dünn hergestellt werden Filmen spezifischer Substrate, was zu einer fragilen Mehrschichtstruktur führt.

Ein Konsortium von Wissenschaftlern der FAU Erlangen-Nürnberg, koordiniert von Jakob Reichstein in der Forschungsgruppe von Karl Mandel, hat nun einen alternativen Wasserstoffsensor mithilfe von Suprapartikeln mit drei Komponenten hergestellt: Silica-Nanopartikel, Gold-Palladium (Au-Pd)-Nanopartikel und einem Indikatorfarbstoff namens Resazurin. Das Team kombinierte diese drei Inhaltsstoffe in einer wässrigen Dispersion, die sie zerstäubten, um kleine Tröpfchen zu erzeugen. Anschließend führten sie die Tröpfchen in einem als Sprühtrocknung bezeichneten Verfahren in eine heiße Kammer. Wenn das Lösungsmittel verdampft, erklärt Reichstein, dass die Nanopartikel und Farbstoffmoleküle zusammengepresst werden und eine Struktur bilden, die als mesoporöses suprapartikuläres Gerüst bekannt ist und für Gase wie Wasserstoff zugänglich ist.

Da die Partikel in der Struktur Wasser aus der Atmosphäre aufnehmen, bilden sie ein Dreiphasensystem, das den Resazurin-Molekülen eine freie Ausbreitung ermöglicht. Tatsächlich fungiert das Wasser laut Reichstein als Transportmedium und transportiert die Resazurin-Farbstoffmoleküle zu den katalytisch aktiven Au-Pd-Nanopartikeln. In Gegenwart von Wasserstoff wird das Resazurin reduziert (d. h. es nimmt ein Wasserstoffatom auf) und bildet eine verwandte Chemikalie, Resorufin. Bleibt weiterhin Wasserstoff vorhanden – wie es bei einem andauernden Leck der Fall wäre – kommt es zu einer weiteren Reduktionsreaktion, bei der das Resorufin in Hydroresorufin umgewandelt wird.

„Die wasserstoffinduzierte Reduktion von Resazurin geht mit einem deutlichen zweistufigen Farbwechsel der Suprapartikel einher: zunächst irreversibel von violett nach rosa und dann reversibel in einen farblosen Zustand“, erklärt Reichstein. „Diese Veränderungen sind mit bloßem Auge erkennbar.“

Reichstein sagt, dass die wasserstoffanzeigenden Suprateilchen des Teams mehrere mögliche Anwendungen haben. Mit Durchmessern zwischen 1 und 10 µm sind die Partikel klein genug, um als Additive oder Pigmente in verschiedene Materialien eingearbeitet zu werden, darunter Beschichtungen auf Rohrleitungen und Sicherheitskleidung. Dadurch lassen sie sich leicht zur schnellen Erkennung von Wasserstoff und zur präzisen Lokalisierung von Leckagen an nahezu jeder interessierenden Stelle nutzen.

Der Wasserstoffsensor ist von Schmetterlingsflügeln inspiriert

Die Forscher, die über ihre Arbeit in Advanced Functional Materials berichten, planen, ihre Suprateilchen zu optimieren, bis sie „ihr volles Potenzial ausschöpfen, sie in realen Anwendungen umsetzen und so einen Beitrag zu einer sichereren Wasserstoffwirtschaft leisten können“. „Derzeit untersuchen und verbessern wir die Empfindlichkeit der Suprateilchen sowie ihre Langzeitstabilität“, schließt Reichstein. „Außerdem testen wir die gasochrome Funktionalität der Suprapartikel in Beschichtungen.“