Ein Forschungsteam der Universität Jena hat eine winzige optische Linse von nur wenigen Millimetern Größe entwickelt, die in der Lage ist, ihr Brechungsverhalten in Gegenwart von Gas zu verändern.

Die Fähigkeit der Mikrolinse, ihr Brechungsverhalten zu ändern, bezeichnen die Forscher als „intelligent“. Möglich wird diese Funktion durch das Hybridglasmaterial, aus dem die Linse besteht. Das einzigartige Design der Linse besteht aus einer dreidimensionalen Anordnung mit Hohlräumen.

Diese Hohlräume können Gasmoleküle aufnehmen, was sich wahrscheinlich auf die optischen Eigenschaften des Materials auswirkt.

Entwicklung multireaktiver Materialien mit der Carl-Zeiss-Stiftung

Lothar Wondraczek, Professor für Glaschemie an der Universität Jena, sagt, die Carl-Zeiss-Stiftung habe ihnen dabei geholfen. Mit Hilfe der Stiftung entwickeln sie nun multireaktive Materialien.

„Bei Hybridglaslinsen bedeutet das, dass das Licht mehr oder weniger stark gebrochen wird, je nachdem, ob Gas im Linsenmaterial absorbiert wird“, erklärte er. Aber nicht jede Anstrengung ist ohne Herausforderungen. In diesem Fall ging es darum, klassische Methoden der Glasformung auf diese speziellen Materialien zu übertragen.

In Zusammenarbeit mit Dr. Alexander Knebel entwickelte die Forschergruppe ein Syntheseverfahren, das für hochreine Materialien geeignet ist. Anschließend ermittelte er die optimalen Bedingungen für die Formgebung des Materials.

Die Chemiker erklärten, dass sie das Material geschmolzen, es dann in eine 3D-gedruckte Form überführt und gepresst hätten. Sie haben die Form der Linse bewusst gewählt, denn „selbst kleinste Verunreinigungen sind in einer Linse sichtbar, weil sie die optischen Eigenschaften direkt beeinflussen“, erklärte einer der Chemiker.

Wondraczek fügte hinzu, dass die in diesem Projekt verwendeten metallorganischen Strukturen als Materialien für die Gasspeicherung oder -trennung untersucht und entwickelt wurden. Die Forscher erklärten, dass die meisten dieser Stoffe beim Erhitzen zerfallen und daher nur schwer zu bilden sind.

Entwicklung multireaktiver Materialien für verbesserte Sensorik

Dieses neue Verfahren ermöglicht eine große Vielfalt an Formen und Geometrien. Dadurch können wir über die spezifische Anwendung von Mikrolinsen hinausgehen. Wondraczek erklärte, dass sie als multireaktive Materialien auf mehrere Einflüsse gleichzeitig reagieren können.

„Wir könnten sie zum Beispiel für Logikschaltungen verwenden. Das bedeutet konkret, dass zwei Bedingungen für die beobachtbare Reaktion verknüpft sind“, erklärte er. erklären.

„Wenn ein Lichtstrahl auf die Linse trifft und gleichzeitig Gas vom Linsenmaterial absorbiert wird, wird das Licht auf eine bestimmte Weise gebrochen, wodurch eine kombinierte Rückkopplung entsteht. »

Diese Entdeckung scheint eine echte Revolution zu sein, denn Lecks in industriellen Produktionsprozessen waren schon immer ein Sicherheitsrisiko. In der Vergangenheit sind Kameras wie die ungekühlte Infrarotkamera InfiRay G600 aufgetaucht. Diese Kameras können erheblich dabei helfen, Lecks aus verschiedenen Quellen zu erkennen.

Dazu gehören Lecks von Erdgas, Kältemittel, Ammoniak, Schwefelhexafluorid und vielen anderen giftigen Gasen. Diese Kameras sind mit den neuesten Technologien wie hochauflösender Infraroterkennung, erweiterter Gasartenerkennung, Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung ausgestattet.

Aus all diesen Gründen ist es wichtig, Geräte zu entwickeln, die die Sicherheit erhöhen und Unfälle verhindern können. In diesem Fall seien auch Membranen zur Gastrennung möglich, sagen die Forscher. Bei diesen Membranen handelt es sich um solche, deren optische Eigenschaften sich in Gegenwart von Gasmolekülen ändern.

Einige dieser Komponenten könnten in der Sensorik zum Einsatz kommen und Messmethoden effizienter und intelligenter machen.

Die Forschung war veröffentlicht in der Zeitung Naturkommunikation.

Abstrakt

Hybridgläser aus metallorganischen schmelzbaren Gerüsten (MOFs) versprechen, die faszinierenden Eigenschaften von MOFs mit der universellen Verarbeitungsfähigkeit von Gläsern zu kombinieren. Allerdings ist die Formgebung von Hybridgläsern im flüssigen Zustand – analog zur konventionellen Glasverarbeitung – bislang schwer nachvollziehbar. Hier präsentieren wir optische Gläser, die von der zeolithischen Imidazolstruktur ZIF-62 abgeleitet sind, in Form zentimetergroßer Objekte. Diese ermöglichen eingehende Untersuchungen der optischen Transparenz und Brechung im gesamten Spektralbereich vom Ultravioletten bis zum nahen Infrarot. Grundlegende Viskositätsdaten werden mithilfe einer Kugelpenetrationstechnik ermittelt und dann zur Demonstration der Herstellung mikrooptischer Geräte mittels Thermodruck verwendet. Anhand von 3D-gedruckten Quarzglasmodellen zeigen wir, dass konkave und konvexe Linsenstrukturen durch Umschmelzen von Glas mit hoher Präzision erzielt werden können, ohne die Materialqualität zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht die Entwicklung multifunktionaler mikrooptischer Geräte, die die Gasabsorptions- und Permeationsfähigkeit von MOFs mit der optischen Funktionalität von Glas kombinieren. Als Beispiel demonstrieren wir die reversible Änderung der optischen Brechung beim Einbau flüchtiger Gastmoleküle.