Ionenselektive Elektroden sollen in Zukunft eine genaue Waschmitteldosierung ermöglichen

Zahllose Vorgänge finden sowohl in der Natur als auch in der Technik an Grenzflächen zwischen zwei Phasen statt. Hierzu gehört der Übergang von Sauerstoff aus der Atemluft in den Blutkreislauf ebenso wie das Rosten eines Kotflügels. Dabei ist der Stoffübergang zumeist verbunden mit einem Ladungsübergang, der durch elektrisch geladene Teilchen - durch Ionen - ebenso erfolgen kann wie durch chemische Reaktionen. Beim Rosten beispielsweise durch die Oxidation des Eisens und die Reduktion des Luftsauerstoffs.

Ein atomarer Hauch aus Silber

Damit sind die zentralen Aufgaben der Elektrochemie bereits genannt. Für elektrochemische Prozesse, die sich vor allem an Grenzflächen zwischen elektronenleitenden Metallen und ionenleitenden Flüssigkeiten abspielen, ist die Oberfläche der Elektronenleiter besonders bedeutsam. Schon wenige Metallatome auf einer anderen Metall- oder Kohlenstoffoberfläche führen dabei zu völlig neuen Eigenschaften. Weil Kohlenstoff oder graphitische Werkstoffe zugleich billig, elektrisch leitfähig und chemisch überaus beständig sind, werden sie häufig als Elektroden zur elektrochemischen Energieumwandlung oder -speicherung verwendet. Allerdings sind sie schlechte Elektrokatalysatoren und fördern so kaum die gewünschten Elektrodenreaktionen. Eine aus nur einer Atomlage bestehende Silberschicht verbessert die Situation dramatisch: Allerdings zeigt das Rasterelektronenmikroskop, dass die vermeintlich gleichmäßige Silberschicht in Wirklichkeit aus uneinheitlich verteilten, nanoskopisch kleinen Partikeln besteht, in deren nächster Nähe die Elektrodenreaktionen besonders rasch stattfinden.

Nobelpreiswürdige Polymerfilme

Auf der Seite der Ionenleiter zeigen nur wenige Nanometer dünne Filme aus elektrisch leitfähigen Polymeren - das sind makromolekulare organische Verbindungen aus miteinander verknüpften Einzelmolekülen - ebenfalls überzeugende katalytische Eigenschaften in elektrochemischen Prozessen. Polyanilin - ein typischer Polymerfilm aus dieser Stoffklasse - beschleunigt zahlreiche chemische Reaktionen um ein Vielfaches. Diese noch recht junge Werkstoffklasse - ihre "Entdecker" wurden dafür im Jahr 2000 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet - zeigt darüber hinaus weitere ungewöhnliche Eigenschaften. Ihre für das Auge sichtbare Farbe lässt sich elektrochemisch steuern. Dieses besondere Merkmal könnte für farbige Displays aller Art oder auch für "intelligente" Fenster und Spiegel mit steuerbaren optischen Eigenschaften genutzt werden. Zudem ist schon länger bekannt, dass dünne Polymerfilme in geeigneter Anordnung den Bau einer ionen- selektiven Elektrode ermöglichen.

Mit derartigen Elektroden ist beispielsweise die Bestimmung der Konzentration einer Ionensorte oder der Summe der Konzentrationen sehr ähnlicher Ionen möglich. Dazu muss der Polymerfilm ein maßgeschneidertes Ionophor enthalten, dass nur eine bestimmte Ionensorte auswählt und selektiv bindet. Diese Elektroden sind in der Prozess- und Umweltanalytik ebenso unentbehrlich wie in der Medizintechnik. Für anspruchsvollere Messungen reicht diese Elektrode allerdings nicht aus. Um die Wasserhärte, getrennt in Kalzium- und Magnesiumgehalt, zu bestimmen, entwickelt die Chemnitzer Professur für Physikalische Chemie und Elektrochemie derzeit mit der Firma Polysens (jetzt Forschungszentrum Mittweida) einen Sensor, der die simultane Bestimmung beider Ionen unter Angabe der separaten Konzentrationen gestattet. Mit seiner Hilfe könnte so bald die genaue Waschmittel- Dosierung in Spül- oder Waschmaschinen möglich werden.

Sonde mit wählerischen Ionophoren

Und so funktioniert das simultane Messprinzip: In einem wenige Mikrometer dünnen Polymerfilm sind zwei Ionophore untergebracht. Eines dieser Ionophore spricht auf Kalziumionen an, das andere auf Magnesiumionen. Ein Teil des Polymerfilms ist zu dem Zweck auf einen dünnen Metallfilm aufgebracht, die Gesamtkonzentration der Ionen zu bestimmen. Der andere Teil des Polymerfilms bedeckt eine kammartige Elektrodenstruktur, die den elektrischen Widerstand des Films misst. Verändert sich die Konzentration nur eines der in der Lösung befindlichen Ionen, ändert sich auch der elektrische Widerstand. Aus der so ermittelten Konzentration eines Ions und der Gesamtkonzentration beider Ionen kann auf die noch fehlende Konzentration des anderen Ions geschlossen werden. Bezogen auf die Waschmaschine heißt das: Sowohl das Waschmittel als auch der Wasserenthärter können je nach Bedarf grammgenau zugeführt werden.

Prof. Dr. Rudolf Holze Professur Physikalische Chemie und Elektrochemie