Junqiao Wu, Professor an der UC Berkeley, beschäftigt sich seit über einem Jahrzehnt mit Vanadiumdioxid, einer Verbindung, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, zwischen isolierenden und metallischen Zuständen zu wechseln. Durch die Nutzung dieser ungewöhnlichen Eigenschaft haben er und sein Labor neuartige Technologien entwickelt, die von „intelligenten“ Dachmaterialien bis hin zu ultrapräzisen Thermografieverfahren reichen.
Nun haben sie eine neue Anwendung für dieses vielseitige Material entdeckt. In einer Studie zeigen Wu und sein Team, wie Vanadiumdioxid auch dazu beitragen kann, elektronische Sensoren effizienter mit feuchten, salzhaltigen Systemen zu verbinden – ein seit langem bestehendes Problem für Wissenschaftler und Ingenieure.
Chemische Umgebung erkennen und speichern
Mit diesem Material haben die Forscher einen neuen In-Memory-Sensor oder Memsensor entwickelt, der seine chemische Umgebung sowohl erkennen als auch speichern kann und sich so an schwierige wässrige Bedingungen anpassen kann. Und im Gegensatz zu herkömmlichen Designs kann er all dies ohne externe Stromversorgung oder komplexe Schaltkreise leisten.
„Dieser Durchbruch könnte den Weg für einfachere, energieeffizientere Sensoren und adaptive Roboter ebnen, die in komplexen Umgebungen eingesetzt werden können“, sagte Wu, der leitende Forscher der Studie und Kanzlerprofessor am Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. „Er könnte auch spannende Möglichkeiten für Computersysteme der nächsten Generation eröffnen, die Speicher und Sensorik in flüssigen Umgebungen integrieren, ähnlich wie es bei biologischen Neuronen der Fall ist.“
Aufgrund ihres Wissens über Vanadiumdioxid fragten sich die Forscher, ob das Material möglicherweise dazu beitragen könnte, dass elektronische Sensoren unter solchen Bedingungen effizient funktionieren : „Es war bereits bekannt, dass Vanadiumdioxid Phasenwechsel vollziehen und sich Veränderungen ‚merken‘ kann, wenn es mit bestimmten Ionen dotiert wird. Wir wollten jedoch untersuchen, ob dies auch automatisch in Wasser mit beweglichen Ionen geschehen kann, ähnlich wie Nervenzellen in lebenden Organismen Informationen durch Ionenbewegungen wahrnehmen und speichern“, erklärte Ruihan Guo, Hauptautor der Studie und Doktorand in Wus Labor.
Speicherung auch ohne externe Spannung
Um ihren Memsensor herzustellen, brachten die Forscher eine dünne Schicht Vanadiumdioxid auf einem kleinen Stück Indium an, einem extrem weichen, silberfarbenen Metall. Wenn das Gerät in Salzwasser getaucht wird, setzt Indium an der Stelle, an der die Lösung mit dem Vanadiumdioxid in Kontakt kommt, Ionen frei. Durch die eingebauten elektrischen Felder an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit werden die Ionen an die Oberfläche des Vanadiumdioxids gezogen, wodurch ein Teil des Materials metallisch wird – eine Widerstandsänderung, die über einen längeren Zeitraum bestehen bleibt.
Diese Veränderung der Leitfähigkeit „zeichnet“ effektiv die Geschichte der Salzeinwirkung auf, wobei die Geschwindigkeit der Leitfähigkeitsänderung mit der Salzkonzentration korreliert. Noch wichtiger ist, dass der Memsensor diese Informationen ohne externe Spannung erfassen und speichern kann.
„Durch die Fähigkeit von Vanadiumdioxid, zwischen isolierenden und metallischen Zuständen zu wechseln, konnten wir einen schnellen, energieeffizienten In-Memory-Sensor entwickeln, der in Salzlösungen funktioniert und Informationen über die Salzkonzentration auch dann speichert, wenn der Sensor aus der Lösung genommen wird“, erklärte Guo.
Tierische Inspiration
Bei der Entwicklung ihres Memsensors ließen sich die Forscher von dem winzigen Fadenwurm C. elegans inspirieren. „Dieser Wurm nutzt spezielle Neuronen, um sich an die Salzexposition zu erinnern und seine Bewegung bei der Nahrungssuche in bestimmte Umgebungen hinein oder aus ihnen heraus zu steuern“, sagte Guo. „In Anlehnung an dieses Verhalten haben wir unseren Sensor verwendet, um ein kleines Roboterboot so zu steuern, dass es Salzgradienten navigiert – unerwünschte Zonen vermeidet und günstige sucht – basierend auf seiner früheren Salzexposition.“
Wu erklärte, dass ihre Memsensing-Technologie eines Tages bei der Entwicklung von wassertauglichen Robotern mit geringem Energieverbrauch nützlich sein könnte. Solche Roboter könnten Unterwasser- oder kontaminierte Umgebungen erkunden und dabei ihre Bewegungen wie lebende Organismen anpassen.
„Im weiteren Sinne weisen die zugrunde liegenden Prinzipien auf die Möglichkeit einer vom Gehirn inspirierten Datenverarbeitung in feuchten Umgebungen hin – genau wie unser eigenes Gehirn, das in einem salzigen, wässrigen Medium arbeitet“, sagte er. „In solchen Systemen könnten Geräte chemische Informationen spontan erfassen, speichern und verarbeiten, und zwar alles innerhalb einer einzigen, integrierten Plattform.“
