Was mache ich so

Ich habe ja schonmal angedeutet, dass ich wieder Chemie mache, aber fuer die, die’s ganz genau wissen wollen, folgt hier nun eine kleine Vorstellung meiner Arbeit.

Ich arbeite in einem grossem, NSF-gefoerdeten Forschungsverbund, der MIRTHE heisst - Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment. Da arbeiten mehrere Unis in den USA sowie einige Firmen mit, und allesamt treffen sich einmal im jahr beim Summer Workshop - dies Jahr in Houston, Texas, in der ersten Augustwoche. MIRTHE kann man gugeln und dann sieht man, worum es geht. Kurz gesagt geht es um die Verwirklichung von kleinen Gasdetektoren, die entweder Treibhausgasemissionen oder Stoffe in der Atemluft detektieren koennen, welche auf Krankheiten hinweisen. Diese Art Gase absorbieren Infrarotstrahlung. Das bedeutet, dass in einem Gefaess mit dem jeweiligen Gas, welches von einer Seite mit Infrarotstrahlung beleuchtet wird, auf der anderen Seite bestimmte Infrarot-Wellen deutlich schwaecher ankommen. Je nachdem, welche Wellen abgeschwaecht werden, gibt Informationen darueber, um welches Gas es sich handelt, und je nachdem, wie stark die Abschwaechung ist, zeigt, wieviel von diesem Gas sich in dem Gefaess befindet.

Man kann dieses Gefaess nun sehr klein bauen. Sehr, sehr klein. Mikrometer klein. Und als Infrarotstrahlung nimmt man einen ebenfalls sehr kleinen Laser zur Hand. Diese Laser machen einen grossen Anteil der MIRTHE-Forschung in Princeton aus, da gibt es zum Beispiel die Professorin Claire Gmachl, die auf dem Gebiet der Quantenkaskadenlaser sehr erfolgreich ist. Ihr hatte ich damals meine Bewerbung geschickt, die sie an meinen jetzigen Boss, Craig Arnold, weiterleitete.
Nun hat man aber zwischen dem Laser und dem Gas-Gefaess konstruktionsbedingt oft einen gewissen Abstand, den man nicht so gerne mit Luft fuellen moechte, denn das CO2 und das Wasser in normaler Luft schwaechen manche Infrarotwellen auch deutlich ab und stoeren dadurch die Messung. Zudem moechte man die infrarote Laserstrahlung auch gerne zum Gefaess hinfuehren und nicht, dass sie sich auf dem Weg dorthin in alle Richtungen verteilt und man immer weniger Intensitaet zur Verfuegung hat.

Deshalb gibt es Wellenleiter. Die kann man sich wie Rohre fuer die Laserstrahlen vorstellen. In Wellenleitern werden die Strahlen an den Waenden reflektiert, verlieren nur sehr wenig Intensitaet und koennen sogar in Kurven gefuehrt werden oder in Abzweigungen geteilt werden. Wellenleiter-“Rohre” sind allerdings nicht hohl sondern massiv und sind in kleinen Bauteilen, wie den Gas-Sensoren, auch meistens nicht rund, sondern haben einen rechteckigen Querschnitt. Sie ähneln eigentlich eher dicken Brettern als Rohren - nur eben wenig Mikrometer groß. Dass die Strahlung in den massiven Wellenleitern gefuehrt wird, liegt an den besonderen Materialeigenschaften der Wellenleiter, insbesondere ihrem hohen Brechungsindex. Der sorgt dafuer, dass die Laserstrahlen an der Grenzflaeche zwischen Wellenleitermaterial und Umgebung (z.B. Luft) reflektiert werden, ohne, dass es irgendeine Art von Rohrwand geben muss. Und bei dem Material kommt meine Gruppe ins Spiel. Es gibt Materialien fuer Wellenleiter fuer sichtbare Strahlung (Licht), z. B. Fensterglas, denn da kommt eindeutig Licht durch. Durch sehr duenne Glasfasern aus Fensterglas oder transparenten Plastik kann man auch Licht leiten. Durch Fensterglas kommt allerdings die fuer uns interessante Infrarotstrahlung nur in sehr begrenztem Masse durch. Besser ist z.B. Fluoridglas, an dem ich frueher gearbeitet habe. Und fuer den Wellenlaengenbereich, welcher mittleres Infrarot heisst, ist Chalcogenidglas prima. Das besteht im Gegensatz zu “normalem” Glas nicht aus Metalloxiden, sondern aus Metallchalcogeniden, also Sulfiden, Seleniden, Telluriden. Das Ziel ist nun, aus diesen Rohmaterialien Glasfilme herzustellen, aus denen dann Wellenleiter gemacht werden - dabei ätzt man z. B. einfach alles vom Film weg, was man nicht braucht und übrig bleiben die Wellenleiterstreifen (-rohre, -bretter). Um Filme herzustellen, nimmt man ueblicherweise einfach die Rohmaterialien, heizt sie ganz stark auf und laesst die Daempfe auf einer Unterlage, dem Substrat, abscheiden. Wir machen es anders. Wir loesen unser Standard-Chalcogenidglas Arsensulfid (geht auch mit einigen anderen) in einem Loesungsmittel auf, so dass wir es fluessig verarbeiten koennen und dann nur noch das Loesungsmittel abdampfen lassen muessen.
Diese Verfahren hat ganz viele Vorteile, z.B. kann man damit gezielt Wellenleiter auf dasselbe Substrat wie den Laser aufbringen.

Meine Aufgabe besteht darin, den Aufloesungsprozess der Rohmaterialien (kristallines Arsensulfid) in verschiedenen Loesungsmitteln (primaere Amine, z.B. Propylamin, Ethylendiamin) zu untersuchen und zu verstehen, um auf ihn Einfluss nehmen zu koennen. Ausserdem schaue ich mir an, wie stabil diese Loesungen sind, ob sie sich aendern, wenn sie Ewigkeiten Luft und Licht ausgesetzt sind (tun sie) und was bei diesen Veraenderungen chemisch vor sich geht. Manchmal kann man in der Loesung keine Veraenderung messen, obwohl sie stattfindet, dann mache ich duenne Glasfilme und schau mir die an.

Meine Methoden sind: FT-IR und UV-Vis Spektroskopie, Rheologie, Dynamic Light Scattering (fuer Partikelgroessenverteilung), DSC (fuer Phasenuebergaenge), SEM und EDX (fuer chemische Zusammensetzungen), AFM (fuer Oberflaechenmorphologie).

Noch Fragen? ;-)