Biobasierte Spintronik: Entwicklung nachhaltiger Magnetfeldsensoren mittels Druckverfahren
Magnetfeldsensoren sind in zahlreichen Anwendungen wie Automobilen, Smartphones und Sicherheitssystemen unverzichtbar. Die herkömmlichen Sensoren enthalten jedoch oft Materialien, die gesundheitliche und ökologische Risiken bergen, und ihre Produktion ist häufig energieintensiv. Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) präsentiert in der Fachzeitschrift Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-026-71077-9) eine umweltfreundliche Alternative: gedruckte Sensoren aus Eisen, Eisenoxid sowie biobasierten Substanzen wie Zellulose und Stärke. Diese Sensoren zeichnen sich durch zuverlässige Magnetfeldmessungen aus, sind ressourcenschonend herstellbar und können nach Gebrauch kontrolliert abgebaut oder recycelt werden.
Materialien und Fertigungsmethode
Das Forschungsteam kombinierte Eisen, Zellulose und Bienenwachs, um neuartige Magnetfeldsensoren zu realisieren. Anstelle klassischer Fertigungsverfahren kommen biobasierte Tinten und industrielle Drucktechnologien zum Einsatz. Magnetfeldsensoren sind heute wesentliche Komponenten in der Elektronikindustrie und dienen der Messung von Bewegungen, Positionen oder Abständen. Sie finden sich in Produkten wie Fensterkontakten, Lenkrädern, Festplatten, Verpackungen und Smartphones. Jährlich werden Milliarden dieser Bauteile produziert.
Dr. Denys Makarov, Leiter der Abteilung Intelligente Materialien und Funktionselemente am HZDR, weist darauf hin, dass viele aktuelle Sensoren problematische Stoffe wie Nickel oder Kobalt enthalten, die bei unsachgemäßer Entsorgung Umwelt und Gesundheit gefährden können. Zudem sind die Herstellungsprozesse oft energieaufwendig und komplex.
Technische Herausforderungen und Lösungsansatz
Die Entwicklung nachhaltiger Magnetfeldsensoren stellt eine technische Herausforderung dar. Eisen ist zwar gut verfügbar und biologisch verträglich, erreicht jedoch allein nicht die Empfindlichkeit moderner Sensoren. Daher kombinierte das Team Eisen mit Eisenoxid und entwickelte Kern-Schale-Partikel, bei denen ein Eisenkern von einer dünnen Oxidschicht umgeben ist.
Lin Guo, der das Projekt im Rahmen seiner Dissertation betreut, betont, dass die Herausforderung darin bestand, aus diesen nachhaltigen Materialien Sensoren mit ausreichender Leistung zu schaffen. Die genaue Zusammensetzung und Verarbeitung der Partikel waren hierfür entscheidend. Die gedruckten Sensoren erreichen Empfindlichkeiten, die in bestimmten Anwendungsbereichen mit kommerziellen Produkten vergleichbar sind.
Siebdruckverfahren als Produktionsmethode
Die Sensoren werden mittels Siebdruck hergestellt, einem Verfahren, das primär aus der Textilindustrie bekannt ist. Dabei wird die Sensorschicht gezielt dort aufgetragen, wo sie benötigt wird, anstatt Material durch Abtragen zu entfernen. Dr. Makarov erklärt, dass dieses Verfahren Material- und Energieeinsparungen ermöglicht, da Sensoren nur an den erforderlichen Stellen gedruckt werden.
Abbaubarkeit und Lebensdauer der Sensoren
Ein weiterer Fokus der Entwicklung lag auf dem Lebensende der Sensoren. Im Gegensatz zu herkömmlicher Elektronik, die meist bis zum Defekt genutzt und anschließend entsorgt wird, sollen die neuen Sensoren kontrolliert abbaubar oder recycelbar sein. Die Eisen-Eisenoxid-Sensorschicht ist in eine Matrix aus biologisch verträglichen Materialien wie Zellulose oder Stärke eingebettet. Eine Schutzschicht aus biokompatiblen Polymeren oder natürlichen Stoffen wie Bienenwachs schützt vor Feuchtigkeit und steuert die Nutzungsdauer.
Lin Guo erläutert, dass die Verkapselung die Stabilität des Sensors über die gewünschte Zeitspanne gewährleistet und sich die Lebensdauer an verschiedene Anwendungen anpassen lässt. Nach dem Auflösen der biologischen Matrix im Wasser verbleiben überwiegend oxidierte Eisenpartikel, die im Wesentlichen Rost darstellen. Potenziell toxische Stoffe wie Nickel- oder Kobaltverbindungen werden bewusst vermieden.
Ausblick und Anwendungsmöglichkeiten
Die Technologie zur Herstellung gedruckter Magnetfeldsensoren ist bereits lizenziert. Das Forscherteam arbeitet derzeit an der Umsetzung konkreter Anwendungen, insbesondere in Bereichen, in denen elektronische Bauteile nur temporär benötigt werden. Dazu zählen intelligente Verpackungen, medizinische Einwegprodukte und spezielle Sensorsysteme für die Landwirtschaft. In diesen Feldern könnten die nachhaltigen Sensoren zur ressourcenschonenderen Elektronikproduktion beitragen.
Darüber hinaus werden weitere Konzepte erforscht, darunter langlebigere Verkapselungen, neue biologisch verträgliche Materialien sowie die Integration der Sensoren in flexible elektronische Systeme.
Publikation und Kontakt
- Publikation: L. Guo et al.: Eco-sustainable magnetoresistive sensors towards disposable magnetoelectronics, Nature Communications, 2026, DOI: 10.1038/s41467-026-71077-9
- Wissenschaftlicher Ansprechpartner: Dr. Denys Makarov, Abteilung Intelligente Materialien und Funktionselemente, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, HZDR, Tel.: +49 351 260 3273, E-Mail: d.makarov@hzdr.de
- Medienkontakt: Simon Schmitt, Leitung und Pressesprecher, Abteilung Kommunikation und Medien, HZDR, Tel.: +49 351 260-3400, E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Über das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Das HZDR forscht in den Bereichen Energie, Gesundheit und Materie mit dem Fokus auf:
- Effiziente, sichere und nachhaltige Nutzung von Energie und Ressourcen
- Verbesserte Visualisierung, Charakterisierung und Behandlung von Krebserkrankungen
- Verhalten von Materie und Materialien unter hohen Feldern und auf kleinster Skala
Das Zentrum betreibt bedeutende Forschungsinfrastrukturen wie das Ionenstrahlzentrum, das Hochfeld-Magnetlabor Dresden und das ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen. Es ist Teil der Helmholtz-Gemeinschaft, verfügt über sechs Standorte und beschäftigt rund 1.500 Mitarbeitende, darunter etwa 700 Wissenschaftler und 200 Doktoranden.
