Sektion Anwendung fortgeschrittener Erkenntnisse

Aus E-Symposion tec-tex: Technische Textilien in interdisziplinärer Sicht
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Anwendung fortgeschrittener Erkenntnisse

Die nachfolgende Gliederung lässt sich bei Bedarf problemlos erweitern.

Bionik

"Ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunftspotential: An der Schnittstelle zwischen Biologie und Technik hat sich seit den 60er Jahren eine neue Wissenschaft etabliert, die an uralte Traditionen anknüpfen kann und mit Leonardo da Vinci, Galileo Galilei und D’Arcy Thompson berühmte Vorgänger hat. Heute befinden wir uns in der Phase der „High-Tech-Bionik“, zu der die Material- und Ingenieurwissenschaften, die Physik und die Biologie Entscheidendes beitragen." (Zitat aus [SpN2004])


Geruch: Bionik und Nano- sowie Werkstoff-Technik verbessern die "Elektronische Nase"

KAT.Kategorie mit Erläuterungen Prüfung TecProdukt TexHalbzeug Elektronische-Nase Sektion Spezial-Prüfungen

Hintergrund Das textile Interesse an bombyx-mori-Seide beginnt in der Regel beim Kokon als Faden-Lieferant, obwohl zum Kokon auch die Raupe und deren Eltern, der weibliche und der männliche bombyx-mori-Schmetterling (bmS), gehören. Die Schmetterlinge fanden in den zurückliegenden Jahrzehnten ausserhalb der Textiltechnik, in der Bionik, grosse wissenschaftliche Beachtung, nachdem das Bombykol-Pheromon bekannt wurde und der Nachweis gelang, dass der flugunfähige männliche bmS die vom weiblichen bmS emittierten Bombykol-Moleküle über kilometerweite Entfernungen detektiert.

Intensive biologische Forschung klärte inzwischen die Funktionsweise und die anatomischen Gegebenheiten des herausragenden Geruchssinns auf, der für die Detektion einzelner Bombykol-Moleküle (Pheromon als Sexual-Lockstoff) benötigt wird. Für diese extreme Sinnesleistung sollen zwei "Antennen" verantwortlich sein, deren Form einer Vogel-Konturfeder [zzIN-IntNet-Beiträge Sme2012] ähnelt und deren "Antennenstäbe" [zzIN-IntNet-Beiträge Vog2012] als "Sensillen" (mikroporösen feintitrigen Fasern vergleichbar) ausgebildet sind. In den Faser-Poren fungieren Dendriten als Sensoren [Fri2003].

Für Technische TextilienTextilien-Klasse, in der sich sämtliche TecProdukte befinden, jedoch keine Consumer-Textilien. [[Technische Textilien]]; [[Definition-Technische-Textilien]] anwendbar? Auf diesen technisch interessanten Erkenntnissen basieren aktuelle Bemühungen, das analytische Potenzial und damit den Anwendungsbereich "Elektronischer Nasen" zu erweitern. Deshalb stellt sich die Frage, ob sich solche Analyse-Geräte zur (raschen) Identitätsprüfung von Oberflächen-EigenschaftenWesentliche einstellbare Eigenschaften Technischer Textilien: Verhalten gegenüber Flüssigkeiten, Reibungs-Verhalten (Haftreibung, Gleitreibung), Adhäsivität, elektrostatisches Verhalten. [[Oberflächen-Eigenschaften]] eignen, die zBzum Beispiel . bei der Verklebung, BeschichtungMehrdeutig. (1) Schicht-Bildung bei einer Veredlungs-Behandlung. (2) Entstandene Schicht als Behandlungsergebnis. [[Beschichtung]]. und Laminierung Technischer Textilien besonders bedeutsam sind? Der Wunsch, qualitativ bedeutsame Schwankungen dieser Eigenschaften mit irgendeiner Prüf-Technik routinemässig erfassen zu können, ist nicht neu, liess sich aber bisher in der Regel nicht erfüllen.

Männlicher Bombyx-mori-Schmetterling in Vorderansicht: Riechorgan als konturfeder-förmiges Antennen-Paar [zzIN-IntNet-Beiträge Sme2012]

Der flugunfähige männliche Schmetterling erfasst mit dem Riechorgan den vom Weibchen emittierten Bombykol-Geruch. Wenige Moleküle sollen genügen, um ihn zur "meilenweiten" Suche nach der Pheromon-Quelle zu veranlassen.

Antenne-Sme2012.png


Detailansicht einer konturfeder-förmigen "Antennen"-Oberfläche, die mit mikroporösen Sensillen bestückt ist [zzIN-IntNet-Beiträge Vog2012]

Aus dem angegebenen BildMassstab ist zu schliessen, dass die Sensillen-Dicke der Dicke textiler Mikrofasern gleicht. Die Sensillen sind gruppenweise im Schaft verankert.

ElekNaseBionikTNT-Sensillen-Vog2012.png


Nicht-textile technische Anwendung Auf den bionischen Erkenntnissen basiert die Konzeption, im offentlichen Raum angesichts global wachsender terroristischer Aktivitäten verstärkt nach dem Standard-Sprengstoff TNT (Trinitrotoluol) zu fahnden. Deshalb muss bei der Untersuchung von Einzelpersonen und Reisegepäck die Nachweisgrenze für TNT verbessert werden; wegen des sehr geringen TNT-Dampfdrucks lässt sich diese erweiterte Aufgabe nicht allein mit speziell geschulten Hunden lösen. Für ein leistungsfähiges Detektionsverfahren ist eine grosse Poren-Oberfläche in Verbindung mit einer grossen Sensor-Oberfläche unerlässlich.

Technischer Lösungsansatz Die grundlegenden Bemühungen [SCP2012] zur Problemlösung konzentrierten sich auf das seit Jahrzehnten technisch angewandte Prinzip der "elektronischen Nase", die zBzum Beispiel . in Verbrennungsmotor-Fahrzeugen als Lambda-Sonde weltweit verbreitet ist: Ein spezieller Sensor reagiert mit dem zu detektierenden Gas und verändert abhängig von der angebotenen Stoff-Masse eine seiner Eigenschaften (zBzum Beispiel . Masse, Leitfähigkeit, optische Merkmale) [Bunsen]. Solche Veränderungen werden erfasst, in ein elektrisches Signal umgesetzt und mittels Kalibrier-Algorithmen quantitativ als Konzentration bzw. als Konzentrationsänderung angegeben.

Für den sicheren, raschen Nachweis von TNT-Molekülen unter robusten Betriebsbedingungen bestimmte einerseits das geringe Angebot erfassbarer Moleküle und andererseits die Forderung nach einer grossen Sensor-Oberfläche die technische Ausführung [SCP2012]: Der Sensor befindet sich auf einem Biegebalken, der mit seiner Eigenfrequenz transversal schwingt. Wenn er die zu detektierenden Moleküle sorbiert und dabei seine Masse vergrössert, verringert sich die Eigenfrequenz. Diese Veränderung lässt sich mikroelektronisch erfassen und für eine Konzentrationsangabe nutzen. Folgende Zirka-Angaben illustrieren den mechanischen Aufbau: Biegebalken ("Micro-Cantilever"): Silizium: 200 µm Länge, 30 µm Breite. Unbekannte Eigenfrequenz. Sensor-Substanz ("chemischer Sensor" [ZWM2003]): Titandioxid (wegen grosser Sensitivität gegenüber TNT) Sensor-Geometrie: Nano-Röhrchen (Halmen vergleichbar) mit den Abmessungen: 2 µm Länge; 0,1 µm Aussen-Durchmesser; 0,06 µm Innen-Durchmesser Packungsdichte: 0,5 Millionen Nano-Röhrchen je Biegebalken; die Röhrchen stehen in dichter Packung halm-förmig auf dem Biegebalken. Verfügbare Oberfläche des technischen Systems: cazirka 80fache Oberfläche des bmS-Organs.

"Elektronische Nase" zum Nachweis von TNT-Sprengstoff: Ansprechverhalten einer Prototyp-Version [SCP2012]

Das Ansprechverhalten wird durch die zeitabhängige Eigenfrequenz-Verringerung charakterisiert, die bei dreiminütiger Einwirkung eines niedrigkonzentrierten TNT-Dampfes bemerkenswert gross sein soll und cazirka 250 Hz beträgt. Erwartungsgemäss verringert sich die Eigenfrequenz nicht, wenn das Titandioxid als Schicht anstatt als Nano-Röhrchen auf dem Biegebalken appliziert ist, so dass die drastische Vergrösserung der Sensor-Oberfläche mittels sehr vieler halm-förmiger Nano-Röhrchen gerechtfertigt erscheint.

ElekNaseBionikTNT-Frequenzverschiebg-SCP2012.png


Aufgrund der vorliegenden positiven Ergebnisse, gekennzeichnet durch die unerwartet grosse Sensitivität und die kurze Ansprechdauer des Systems, erwarten die Autoren [SCP2012] eine baldige technische Realisierung, weil das Verfahren zur Nanoröhrchen-Herstellung offensichtlich technisch beherrschbar ist.

Denkbare Anwendungen aus textiler Sicht Das vorliegende Beispiel einer "elektronischen Nase" illustriert den Leistungszuwachs, den eine langjährig angewandte Analysen-Technik mittels aktueller Erkenntnisse der Bionik, der Nano-Technik und der Werkstoff-Technik gewinnen kann. Im Hinblick auf das Generalthema "Technische TextilienTextilien-Klasse, in der sich sämtliche TecProdukte befinden, jedoch keine Consumer-Textilien. [[Technische Textilien]]; [[Definition-Technische-Textilien]] " könnten - eine anwendungsspezifische Ausstattung der "elektronischen Nase" vorausgesetzt - zBzum Beispiel . folgende aufwendig erscheinende Themen untersuchenswert werden (gegebenenfalls bei erwärmten Proben):


Weiterführende Informationen

[Fri2003] Frings S: "Sinnesphysiologie - vom Ionenkanal zum Verhalten": "Pheromone - soziale Signale: I. Pheromon-gesteuerte Verhaltensweisen. II. Das vomeronasale Organ". Zyklusvorlesung. Uni Heidelberg, Abtlg. Molekulare Physiologie. 2003. URL: www.sinnesphysiologie.de/

[ZWM2003] Ziegler C; Wiemhöfer H-D; Maier J: "Chemische Sensoren". Bunsen-Mgz. 5 (2003) nr.2; s.31-43.

[SpN2004] Speck TTextil ; Neinhuis C: "Bionik, Biomimetik". Naturwiss.Rundsch. 157 (2004) nr4; s177-191.

[SCP2012] Spitzer D; Cottineau TTextil ; Piazzon N et al.: "Ein bioinspirierter nanostrukturierter Sensor für die Detektion von sehr niedrigen Sprengstoffkonzentrationen". Angew. Chem. 124 (2012), 22, 5428–5432.

[zzIN-IntNet-Beiträge Sme2012] Schmetterlinge-Art-mori: "Bombyx-mori-Schmetterling". 05-2012. URL: www.schmetterling-raupe.de/art/mori/

[zzIN-IntNet-Beiträge Vog2012] Vogelfedern: "Federkiel ...". URL: www.vogelfedern.de; 05-2012. URL: www.vogelfedern.de

Nano-Technik

Werkstoff-Technik

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