Die allgegenwärtige Nutzung der optischen Messtechnik im täglichen Leben hängt entscheidend von Kosten, Größe und Mobilität ab. Diese Anforderungen zu kombinieren ist eine große Herausforderung und wird mit unserem neuartigen miniaturisierten Spektrometer angestrebt. Ein Filterarray kombiniert mit einem Sensorarray ist ein Spektrometer. Da für die Herstellung des Filterarrays Nanoimprint verwendet wird (um die räumliche Auflösung zu verbessern und die Herstellungskosten zu senken), nennen wir es "Nanospektrometer". Unser Endziel ist es, dass das Nanospektrometer beispielsweise Biomarker in der Haut, den Gesundheitszustand, die Qualität von Lebensmitteln und die Konzentrationen schädlicher Spurengase im Verkehr und in der industriellen Produktion nachweisen kann. Ein weiterer Vorteil der optischen Sensorik besteht darin, dass sie nicht in direkten Kontakt mit dem Untersuchungsobjekt treten muss. Konventionelle Gitterspektrometer leiden unter einer abnehmenden Auflösung, je höher der Grad der Miniaturisierung ist (wenn die Gittergröße abnimmt, nimmt die Anzahl der beleuchteten Gitterlinien ab). Beachten Sie, dass die Gitterperiode während der Miniaturisierung konstant gehalten werden muss.

Das Nanospektrometer besteht aus vielen einzelnen Fabry-Pérot Filtern, die in einem Filterarray kombiniert sind, das direkt auf kommerziellen CCD- oder CMOS-Chips platziert ist. Letztere Abbildungschips sind bekannt aus Anwendungen in z.B. Digitalkameras. Jeder einzelne Filter spricht eine geringe Anzahl von Pixeln (z.B. 9) des CCD- oder CMOS-Chips an. Auf diese Weise detektiert diese Pixelgruppe ein einzelnes schmales Band (1-3nm Linienbreite der Filterlinie, was eine sehr hohe spektrale Auflösung ergibt). Die Nanoimprint-Technologie erlaubt es, die 3D-strukturierte Hohlraumschicht von Tausenden von Filter-Arrays in einem einzigen Druckschritt und mit einer sub-nm-Auflösung in vertikaler Richtung herzustellen. Weltweit hat unsere Gruppe mit Nanoimprint die höchste Auflösung in der dritten Dimension erreicht. Ein Nachteil ist die begrenzte spektrale Stoppbandbreite der Bragg-Spiegel im Bereich von 100nm. Anwendungen erfordern jedoch einen grösseren Gesamtspektralbereich, was die Kombination mehrerer Stoppbänder erfordert und unterschiedliche Gesamtdicken der entsprechenden Bragg-Spiegel impliziert (dies bedeutet, dass über mehrere Stufen statt auf eine flache Oberfläche gedruckt werden muss (Abb.1)). Die unterschiedlichen Dicken der drei Bragg-Spiegelstapel zeigen eine unterschiedliche Farbe in Abb.2 oben, die eine deutliche Stufe zeigt, in der sich die Farbe ändert. Ein weiteres Highlight ist, dass es uns gelungen ist, diese Stufen zu überdrucken. Jedes der drei Stoppbänder umfasst 64 verschiedene Hohlraumhöhen, was eine Gesamtzahl von 3 x 64 = 192 verschiedene Hohlraumhöhen und 192 Pixel ergibt. Beachten Sie, dass selbst die beste Digitalkamera nur auf 3 spektral unterschiedlichen Pixeln basiert (RGB-Technologie). Abb. 2 unten zeigt, dass wir die kompletten 192 Filterlinien haben - es fehlt nicht einmal eine, ein weiteres Highlight.

Die Aufnahme von Spektren wird dadurch erreicht, dass das gesamte von der Substanz kommende Licht zum Filter reflektiert wird, mit Ausnahme einer einzigen, genau definierten Wellenlänge, die vom Filter durchgelassen wird und vom Sensor erfasst werden kann.  Im EU-Projekt "Bread Guard" bauten wir einen voll funktionsfähigen Demonstrator für den sichtbaren Bereich und testeten ihn zur Überwachung des Backprozesses in einem handelsüblichen modernen Etagenbackofen. Darüber hinaus demonstrierten wir das Prinzip des Nanospektrometers auch im nahen Infrarot. In Zukunft wollen wir unsere Technologie auch in intelligente Mobiltelefone integrieren: Veränderungen in den Spektren würden Informationen über den Gesundheitszustand, die Lebensmittelqualität, allergische Substanzen und die Luftqualität liefern.

Heute sind die Begrenzung der Erderwärmung, die Verringerung der Kohlendioxidemissionen, die nachhaltige Energieerzeugung und effiziente Energieeinsparung weltweit zentrale Herausforderungen. Die nachhaltige Gestaltung "grüner Gebäude" hat in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen, und die Nutzung von natürlichem Licht ist zu einer wichtigen Strategie zur Verbesserung der Energieeffizienz durch Minimierung der Beleuchtungs-, Heiz- und Kühllasten sowie zur Stabilisierung des Biorhythmus und zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit geworden. Generell kann durch die Umsetzung effizienter Tageslichtstrategien der Stromverbrauch in Gebäuden erheblich gesenkt werden, da Kunstlicht, Kühlung und Heizung den weitaus größten Teil des Gesamtenergieverbrauchs in Nichtwohngebäuden ausmachen.

Millionen von nebeneinander angeordneten Mikrospiegeln wurden zwischen zwei oder mehr Scheiben von Isolierfenstern eingesetzt. Je nach Anforderung werden die Mikrospiegel durch elektrostatische Ansteuerung in unterschiedlichen Winkeln gekippt. Solche Mikrospiegel haben eine Größe von weniger als 0,1 mm² (obwohl sie stark variieren, typische Abmessungen sind 150 × 400 µm2), was mehr als 12.000.000 Spiegel/m² bedeutet. Das Schichtdesign der Spiegel umfasst mehrere nanoskalige Schichten (transparente leitende Oxide, isolierende Oxide und verschiedene Metalle). Aufgrund der geringen Größe der Mikrospiegel können einzelne Spiegelelemente aus Entfernungen >20 cm mit dem bloßen Auge nicht erkannt werden.

Es wurden Mikrospiegel-Arrays entworfen, hergestellt und charakterisiert. Experimentelle Ergebnisse zu elektrostatischen Ansteuerspannungen, extrapolierter Lebensdauer, Leistungsaufnahme und Wärmeeinflussregulierung wurden in 2 EU-Projekten "MEM4WIN" und "NEXT Buildings" sowie im BMBF-Projekt "Nanoscale" untersucht. Das Akronym steht für Nano-Sensoren und -Aktoren für intelligente persönliche Umgebungen. Die gemessenen hohen Resonanzfrequenzen von 3kHz, die langen Lebensdauern in Langzeit-Betätigungsversuchen, die geringe Leistungsaufnahme von bis zu 0,2 mW/m2 und die Betätigungsspannungen von bis zu 12 V zeigen das Potenzial, aber es bleibt noch viel zu tun.

"Multifunctional Anisotropically Shaped Hybrid-Particles" (MASH) ist ein gemeinsames Forschungsprojekt, das von Hartmut Hillmer in Zusammenarbeit mit den CINSaT-Mitgliedern Arno Ehresmann und Rudolf Pietschnig koordiniert wird. MASH kombiniert mehrere definierte technologische, physikalische und chemische Aufgaben. Die 3 CINSaT-Gruppen aus verschiedenen Disziplinen vereinen die Fachkompetenz in ihren Bereichen und zielen auf interdisziplinäre Grundlagenforschung, 3D-Mikro- und Nanostrukturierung, Charakterisierung und Anwendungen von 3D-Mikro- und Nanopartikeln ab.

Polymere Mikro- und Nanopartikel haben eine Vielzahl von Anwendungen in flüssigen Umgebungen, wie z.B. Molekültransporter, Mikrosensoren, Kontrastmittel in der medizinischen Diagnostik und maßgeschneiderte Filtersysteme für unsere Umwelt. Für diese und viele andere Anwendungen werden die Partikel durch reaktive Molekülgruppen auf ihrer Oberfläche chemisch funktionalisiert, die als Bindungsstellen für Analyten dienen. Im Allgemeinen sind sphärisch geformte Partikel häufiger anzutreffen als geometrisch komplexere Formen, was darauf zurückzuführen ist, dass die meisten Herstellungsverfahren Bottom-up-Ansätze sind, die meist durch thermodynamische Wechselwirkungen angetrieben werden, wobei das energetisch günstigste Ergebnis eine Kugel ist. Vom Modellierungsstandpunkt aus gesehen wird das System auch immer komplizierter, je mehr Parameter/Asymmetrien ihm hinzugefügt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Kugelform der Partikel zahlreiche Einschränkungen mit sich bringt, wenn sie in einer begrenzten hydrodynamischen Umgebung eingesetzt wird. Hier zeigen die anisotropen nicht-sphärischen Partikel Vorteile u.a. in Bezug auf Wandwechselwirkungen und Adhäsion, die den Zugang zu mehr Freiheitsgraden der Partikelbewegung ermöglichen. Neben der Variation von Größe und Form spielt die Funktionalisierung der Polymerpartikel eine Schlüsselrolle im Projekt MASH. Durch das Aufbringen von Deckschichten mittels Metallabscheidung auf der Oberfläche werden dem Partikel magnetische und leitende Eigenschaften oder Bindungsseiten für Moleküle hinzugefügt. Zur weiteren Funktionalisierung werden Nanopartikel gastförmig in das Polymer-Wirtspartikel implementiert. Durch die Kombination der Oberflächen- und Gastfunktionalisierung werden multifunktionelle Partikel mit spezifischen Eigenschaften (z.B. magnetisch, fluoreszierend, leitfähig) hergestellt. Diese multifunktionalen Partikel können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, z.B. Transport, magneto-fluoreszierende Marker oder Träger für Biomoleküle, u.a.