Das Nanodraht-Kraftwerk Mikroskopische Energieversorgung für implantierbare Biosensoren vom Institut für Halbleitertechnik
Die Zinkoxid-Nanodrähte sind bemerkenswert hoch und schlank gewachsen. Für Doktorand Frank Anang ist dies ein hervorragendes Ergebnis, damit aus diesen bürstenartigen Strukturen einmal ein effizientes Kraftwerk auf kleinstem Raum werden kann. Die Energie entsteht aufgrund des sogenannten piezoelektrischen Effekts. Demnach entsteht eine Spannung, wenn ein Festkörper elastisch verformt wird. Die Spannungshöhe in Anangs Nanokraftwerk hängt weitgehend davon ab, wie lang und dünn er die Nanodrähte im Forschungszentrum LENA der TU Braunschweig wachsen lassen kann.
Von der Seite betrachtet ähneln die Nanodrähte einer Bürste – nur, dass diese Bürste kleiner ist als ein weißes Blutkörperchen. Mit Goldplatten als Elektroden an der Ober- und Unterseite bedeckt, wandeln die Drähte Druck in eine geringe Spannung um. Bildnachweis: Frank Anang/TU Braunschweig
Die Drähte auf dem obigen Bild sind circa 26,8 Mikrometer lang und 0,65 Mikrometer dick – etwa so lang wie ein weißes Blutkörperchen und dabei mehr als hundertmal dünner als ein menschliches Haar. Sie erzeugen eine Spannung von circa 95,6 Millivolt. Das reicht gerade aus, um einen winzigen Sensor oder Speicher zu betreiben. Auch eine LED mit geringem Stromverbrauch würde leicht aufleuchten. Alles, was es braucht, ist ein wenig Druck auf die Nanodrähte. In diesem Fall mit einer Kraft von rund 0,9 Newton, oder anders ausgedrückt: der Kraft, die man aufwendet, um eine Tafel Schokolade anzuheben. Eingebettet in ein isolierendes Polymer und oben und unten mit Goldplatten als Elektroden bedeckt, werden diese Nano-Kraftwerke bereit für tragbare Geräte und selbstversorgende Sensoren. Beispielsweise könnten die Drähte so implantierbaren Biosensoren wie der Steuerung adaptiver Herzschrittmacher zu längeren Einsatzzeiten verhelfen.
Von oben sieht man hervorragend die hexagonale Kristallstruktur der Nanodrähte. Je dünner die Drähte dabei wachsen, ohne zu brechen, desto besser ist die potenzielle Stromerzeugung. Bildnachweis: Frank Anang/TU Braunschweig
Doktorand im internationalen Metrologie-Netzwerk
Doktorand Frank Anang ist Teil des internationalen Austausch- und Unterstützungsnetzwerks der nationalen Metrologieinstitute. In seinem Fall die Verbindung zwischen Deutschland und Ghana. Bildnachweis: Annika Hinze/TU Braunschweig
Für Frank Anang ist das Nanodraht-Kraftwerk zentraler Teil seines Doktorandenprojekts an der Braunschweig International Graduate School of Metrology (B-IGSM), der gemeinsamen Graduiertenschule der TU Braunschweig und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Dank der internationalen Zusammenarbeit der PTB konnte er seine Forschung am Institut für Halbleitertechnik der TU Braunschweig mit Unterstützung des Bundesministeriums für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung aufnehmen. Nach Abschluss seiner Promotion wird er sein im Bereich der Metrologie erworbenes Fachwissen in das Nationale Metrologieinstitut seines Heimatlandes Ghana einbringen.
Frank Anang: „In meiner Doktorarbeit nutze ich mein Fachwissen, um Energiegewinnungs-Geräte zu entwickeln und quantitativ zu validieren, die zuverlässige, autarke Systeme ermöglichen, die auf nachvollziehbarer Messtechnik basieren. Mein besonderer Dank gilt meinen Kooperationspartnern beim Forschungszentrum LENA, dem Institut für Partikeltechnik in Braunschweig, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Electrosciences Ltd (UK) und Quantum Design Microscopy GmbH.“
