Eisen, Zellulose, und Bienenwachs: Ein internationales Forschungsteam am HZDR zeigt, dass diese umweltfreundlichen Inhaltsstoffe völlig ausreichen, um neuartige Magnetfeldsensoren zu realisieren. Statt auf klassische Herstellungsverfahren setzt das Team dabei auf biobasierte Tinten und industrielle Drucktechnologien.
Magnetfeldsensoren gehören heute zu den unsichtbaren Massenprodukten der Elektronikindustrie. Sie messen Bewegungen, Positionen oder Abstände und stecken in Fensterkontakten, Lenkrädern, Festplatten, Verpackungen oder Smartphones. Milliarden dieser Bauteile werden jedes Jahr produziert. „Viele dieser Sensoren enthalten Materialien wie Nickel oder Kobalt“, sagt Dr. Denys Makarov, Leiter der Abteilung Intelligente Materialien und Funktionselemente am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR. „Das sind Stoffe, die problematisch für Umwelt und Gesundheit sein können, wenn sie nicht sachgerecht entsorgt werden.“ Gleichzeitig erfordere ihre Herstellung oft energieintensive Prozesse und komplexe Fertigungsschritte.
Vom Rohstoff zum Sensor
Die Entwicklung nachhaltiger Sensoren ist technisch anspruchsvoll. Eisen gilt zwar als gut verfügbar und biologisch verträglich, erreicht allein aber nicht die Empfindlichkeit vieler heutiger Magnetfeldsensoren. Das Forschungsteam kombinierte deshalb Eisen mit Eisenoxid und entwickelte spezielle Kern-Schale-Partikel, bei denen ein Eisenkern von einer dünnen Oxidschicht umgeben ist.
„Eisen oder Zellulose kennt die Menschheit seit Jahrhunderten“, sagt Lin Guo, der das Projekt im Rahmen seiner Dissertation umsetzt: „Die Herausforderung besteht darin, aus diesen nachhaltigen Materialien einen Sensor mit brauchbarer Leistung zu entwickeln.“ Die genaue Zusammensetzung und Verarbeitung der Partikel sei dabei entscheidend gewesen. Die gedruckten Sensoren erreichen nach Angaben des Teams Empfindlichkeiten, die in bestimmten Einsatzbereichen mit heutigen kommerziellen Lösungen vergleichbar sind.
Produziert werden die Sensoren per Siebdruck, einem Verfahren, das eher aus der Textilindustrie bekannt ist. Statt Materialien an nicht benötigten Stellen abzutragen, wird die Sensorschicht dabei gezielt aufgebracht. „Wir drucken Sensoren nur dort, wo wir sie brauchen“, erklärt Makarov. Das spare nicht nur Material, sondern auch Energie.
Wenn Sensoren verschwinden können
Auch das Lebensende der Sensoren spielte bei der Entwicklung eine wichtige Rolle. Herkömmliche Elektronik wird meist genutzt, bis sie kaputtgeht und entsorgt werden muss. Das Ziel der aktuellen Studie sind hingegen Materialien, die sich kontrolliert abbauen oder recyceln lassen. Die Eisen-Eisenoxid-Sensorschicht wurde deshalb in eine Matrix aus biologisch verträglichen Materialien wie Zellulose oder Stärke eingebettet. Eine Schicht aus biokompatiblen Polymeren oder natürlichen Materialien wie Bienenwachs schützt die Sensoren vor Feuchtigkeit und bestimmt zugleich ihre Lebensdauer. „Über die Verkapselung können wir steuern, wie lange ein Sensor stabil bleibt“, sagt Guo. Die Nutzungsdauer lasse sich für verschiedene Anwendungen gezielt anpassen. Löst sich die biologische Matrix im Wasser später auf, bleiben vor allem oxidierte Eisenpartikel zurück. „Das ist im Grunde genommen Rost“, sagt Denys Makarov. Potentiell toxische Stoffe wie bestimmte Nickel- oder Kobaltverbindungen kommen in dem Konzept bewusst nicht zum Einsatz.
Die Technologie zur Herstellung gedruckter Magnetfeldsensoren ist bereits lizenziert. Nun arbeitet das Team an konkreten Anwendungen. Besonders interessant sind für die Forschenden Bereiche, in denen elektronische Bauteile nur für begrenzte Zeit benötigt werden, etwa in intelligenten Verpackungen, medizinischen Einwegprodukten oder speziellen Sensorsystemen für die Landwirtschaft. Dort könnten nachhaltige Magnetfeldsensoren künftig helfen, Elektronik ressourcenschonender herzustellen.
Gleichzeitig arbeitet das Team bereits an weiteren Konzepten. Künftige Projekte beschäftigen sich unter anderem mit langlebigeren Verkapselungen, neuen biologisch verträglichen Materialien und der Integration der Sensoren in flexible elektronische Systeme.
