Forschung & Entwicklung

Hochempfindlicher molekularer optischer Drucksensor

Ein in Wasser gelöstes Molekül emittiert druckabhängig Infrarotstrahlung und ermöglicht damit neue Wege für die Druckmessung in vielfältigen Anwendungen.

Als Inspiration für das molekulare System diente der Edelstein Rubin. Allerdings handelt es sich bei dem Material, das in der Gruppe von Professor Katja Heinze am Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) entwickelt wurde, um ein wasserlösliches Molekül und nicht um einen unlöslichen Feststoff wie der bekannte Edelstein. Dieses Molekül enthält aber wie Rubin das Element Chrom, das ihm die rote Farbe verleiht, und es wird daher auch molekularer Rubin genannt. Der molekulare Rubin kann wie der Rubin selbst im Festkörper Druck messen, aber darüber hinaus dank seiner Löslichkeit auch in Lösungen. Somit eröffnet dieses molekulare System Anwendungsmöglichkeiten in der Materialwissenschaft, der homogenen und heterogenen Katalyse und in allen Feldern, wo Druckänderungen überwacht werden müssen.

Der Vorgang der Druckmessung mit dem molekularen Rubin ist folgender: Die betreffende Stelle wird mit blauem Licht bestrahlt, der molekulare Rubin absorbiert dieses Licht und sendet daraufhin Infrarotstrahlung aus. Je nach Druck ändert sich die Energie des ausgesendeten Lichts. Anhand dieser Energie kann der vorherrschende Druck abgelesen werden.

Die Druckexperimente bis zu 45 000 bar hat Sven Otto, Doktorand aus der Arbeitsgruppe Heinze, in den Laboren der Gruppe von Prof. Dr. Christian Reber an der Universität Montreal durchgeführt. „Die höchsten Drücke, die wir in einer sogenannten Diamantstempelzelle gemessen haben, sind etwa 45 Mal höher als der Druck an der tiefsten Stelle des Ozeans“, erläutert Otto.

Das Prinzip der optischen Druckmessung mit Chromverbindungen war bereits zuvor bekannt. Jedoch sind alle diese Verbindungen, wie der Rubin selbst, unlöslich. Somit waren optische Druckmessungen in einer Lösung mit einer einzigen Art von gelösten Molekülen bislang nicht möglich. Mit dem molekularen Rubin ist dies jedoch machbar. „Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse den Weg für völlig neue Anwendungen über die klassischen Anwendungen hinaus, zum Beispiel in der homogenen Katalyse oder in biologischen Systemen, ebnen werden. Wir arbeiten auch genau in diese Richtung weiter“, sagt Professorin Katja Heinze.

Gefördert werden die Forschungsarbeiten durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), unter anderem im Rahmen der Graduiertenschule Materials Science in Mainz, und durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD).

Originalveröffentlichung:

[S. Otto, J. P. Harris, K. Heinze, C. Reber, Molecular ruby under pressure, Angew. Chem. International Edition (2018), DOI: 10.1002/anie.201806755]

von mn

www.uni-mainz.de

© photonik.de 2018 - Alle Rechte vorbehalten