Tendenz steigend

News: Tendenz steigend

Obwohl die klassischen Thermometer aus Quecksilber- oder Alkohol-gefüllten Glaskapillaren zunehmend unter elektronischer Konkurrenz leiden, hat ihr Prinzip noch lange nicht ausgedient. Jetzt haben sie noch einen kleinen Bruder bekommen - im Nanoformat.

Martin Wieser

Die Temperatur spielt bei physikalischen und chemischen Prozessen eine wichtige Rolle. Oftmals aber herrschen an verschiedenen Stellen ein und desselben Systems unterschiedliche Wärmeverhältnisse. Wer sichergehen will, die Temperatur an einem bestimmten Ort genau zu kennen, der ist gezwungen, auch direkt dort zu messen. Doch dazu bedarf es eines genau platzierten Fühlers, der klein genug ist, um wirklich nur die direkte Umgebung wahrzunehmen.

Nun erkannten Wissenschaftler um Yihua Gao vom National Institute of Materials Science in Tsukuba, dass ein Nanothermometer genau diese Anforderung erfüllt. Also machten sie sich daran, das Prinzip der Flüssigkeitssäule, welche bei Erwärmung steigt, auf den mikroskopischen Maßstab zu übertragen.

Das Pendant zur Glaskapillare fanden sie schnell in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Das Material gibt einen hervorragenden Behälter ab, da seine Länge auch bei steigender Temperatur praktisch unverändert bleibt. Hingegen soll sich die Füllung genau entgegengesetzt verhalten und sich unter Wärmeeinfluss ausdehnen.

Dafür eignet sich das Metall Gallium besonders gut. Zum Ersten ist es in dem weiten Temperaturbereich von 30 bis 2400 Grad Celsius flüssig. Zum Zweiten besitzt es auch bei hohen Temperaturen einen geringen Dampfdruck, das heißt: Die Atome entfernen sich kaum von der Flüssigkeitsoberfläche.

Nun wäre es ein mühseliges Unterfangen, Gallium in winzige Graphitröhren zu füllen. Die Wissenschaftler mussten das Metall also im Röhrchen selbst erzeugen. Dazu ließen sie Galliumoxid und Kohlenstoff in einem Ofen reagieren. Dabei entstand neben Kohlenmonoxid zunächst nur ein anderes Oxid des Galliums.

Doch dieses Oxid, bei der hohen Ofentemperatur ein Gas, stieg nun in ein Nanoröhrchen auf, das die Forscher weiter oben im Ofen angebracht hatten. Dort, an der Innenwand des Röhrchens, herrschte eine wesentlich tiefere Temperatur als außerhalb des Röhrchens, und damit auch andere Reaktionsbedingungen. Das gasförmige Galliumoxid gab nun seinen Sauerstoff an das Kohlenmonoxid ab, und das verbleibende Gallium sammelte sich im Nanoröhrchen.

Bewährt sich das Nanothermometer auch in der Praxis? Oder ändern sich mit der Größe des Messgeräts auch seine Eigenschaften? Um ihrer Erfindung auf den Zahn zu fühlen, erhitzte das Forscherteam die winzigen Thermometer schrittweise von 50 auf 500 Grad Celsius und stellte fest, dass die Flüssigkeitssäule linear mit der Temperatur anstieg. Damit entspricht ein Zuwachs um eine bestimmte Höhe immer derselben Temperaturerhöhung - wie bei gewöhnlichen Thermometern auch.

Test bestanden – doch was ist ein Thermometer ohne Skala? Da sich diese nicht so einfach am Kohlenstoffröhrchen anzeichnen lässt, mussten sich die Forscher anders behelfen. Mit einem Elektronenmikroskop machten sie die Wände der Nanoröhrchen und die Flüssigkeitssäule sichtbar und nahmen Maß.

Sicherlich ist das Ablesen auf diese Art noch nicht der Weisheit letzter Schluss. Dennoch bedeutet das galliumgefüllte Nanoröhrchen einen Fortschritt im Bereich der Mikrometer-großen Instrumente: Während bisher nur von minus 269 bis minus 193 Grad Celsius gemessen werden konnte, reicht das Nanothermometer von 50 bis 500 Grad Celsius.