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Ausgabe_184

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ÖSTERREICH JOURNAL NR.

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 184 / 06. 05. 2019 Wissenschaft & Technik Neuer LED-Leuchtstoff spart Energie 102 Das menschliche Auge ist für Grün besonders empfindlich, für Blau und Rot hingegen weniger. Chemiker um Hubert Huppertz von der Universität Innsbruck haben nun einen neuen roten Leuchtstoff entwickelt, dessen Licht vom Auge gut wahrgenommen wird. Leuchtdioden oder LEDs können nur Licht einer bestimmten Farbe erzeugen. Mit un terschiedlichen Verfahren zur Farbmischung läßt sich aber auch weißes Licht herstellen. „Bei einer weißen LED werden rote und gelb-grüne Phosphore durch das Licht einer blauen Diode angeregt. Die Partikel emittieren entsprechendes Licht im roten und grünen Bereich, die Kombination mit dem blauen Licht ergibt weißes Licht“, beschreibt Hubert Huppertz vom Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck die Funktionsweise. Mit seinem Team arbeitet er an der Ver besserung der roten und grünen Leuchtstoffe. Nun ist es seinem Team in Zusam - menarbeit mit der Firma OSRAM Opto Se - miconductors gelungen, einen neuen roten Leuchtstoff zu synthetisieren, der über hervorragende Lumineszenzeigenschaften verfügt und LED-Beleuchtungsmittel deutlich energieeffizienter machen kann. Farbverschiebung verbessert Lichtausbeute Der leistungsstarke rote Phosphor Sr[Li2Al2O2N2]:Eu2+, dem die Forscher den Namen SALON gaben, erfüllt alle Anforderungen an die optischen Eigenschaften eines Leuchtstoffs. Die Entwicklung geht zurück auf Forschungen, die Hubert Huppertz noch an der Universität Bayreuth durchgeführt hat. Im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelte er dort mit Europium do - tierte Nitride, die fluoreszieren. Diese wurden von der damaligen Arbeitsgruppe dann fortführend in München weiter optimiert und kommen heute breit zum Einsatz. Diese roten Farbstoffe sind mitverantwortlich, daß LEDs nicht mehr kalt-weiß, sondern auch warm-weiß leuchten. Interessanterweise reagiert das menschliche Auge am sensibelsten auf die Farbe Grün. Im blauen und roten Be reich ist das Auge weniger empfindsam. Zwar emittieren diese Leuchtstoffe rotes Licht im sichtbaren Be - Grafik: Uni Innsbruck Die Kristallstruktur des SALON-Leuchtstoffs ist die Ursache für dessen hervorragende Lumineszenzeigenschaften. reich, ein Großteil der Energie geht aber in den Infrarotbereich, den das menschliche Auge nicht wahrnimmt. Mit dem nun in Innsbruck entwickelten Leuchtstoff ist es gelungen, die Lichtemission von Rot leicht in Richtung Blau zu verschieben. „Weil zunächst nur wenige sehr kleine Partikel in einer sehr inhomogenen Probe zur Verfügung standen, war es schwierig die Synthese zu optimieren“, erzählt Doktorand Gregor Hoerder. Der Durchbruch gelang, als die Forscher einen Einkristall aus einem der vielversprechendsten Syntheseprodukte isolieren und damit die Struktur des neuen Ma - terials bestimmen konnten. „Der Stoff ist so »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at synthetisiert, daß er mehr im orangen als im roten Bereich emittiert“, freut sich Hubert Huppertz. „Mit SALON haben wir weniger Energieverlust, es emittiert genau in dem ro - ten Bereich, den wir sehen können.“ An der weiteren Charakterisierung des neuen Materials waren auch OSRAM Opto Semiconductors als starker Industriepartner, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle und die Forschungsgruppe um Dirk Johrendt an der Ludwig-Maximilians-Universität Mün chen beteiligt. Die Entwicklung wurde bereits zum Patent angemeldet. n https://www.uibk.ac.at/aatc/

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 184 / 06. 05. 2019 Wissenschaft & Technik Schnüffeln mit Licht Winzige Spuren von Gasen kann man mit einem neuartigen Gerät messen, das an der TU Wien entwickelt wurde. Diese »künstliche Schnüffelnase« beruht auf einer ausgeklügelten Lasertechnik. Es ist eine recht ungewöhnliche Methode, mit der man an der TU Wien nun geringste Mengen unterschiedlicher Moleküle in der Luft nachweisen kann: Man heizt die ge - suchte Substanz punktuell mit einem speziel - len Laser auf, dadurch ändert sich der Brechnungsindex des Gases, und diesen Ef fekt wie - derum kann man mit einem zweiten Laser nachweisen. Das neue Analysegerät ist nicht nur hochempfindlich, es läßt sich auch ex - trem kompakt bauen und kommt mit viel klei - neren Probemengen aus als andere Geräte. Ausgezeichnet Johannes Paul Waclawek, der im Rahmen seiner Dissertation bei Prof. Bernhard Lendl am Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien an der neuen Messtechnik forschte und diese dort nun als Post- Doc weiter verbessert, wurde für die Entwicklung der neuen Methode zunächst mit dem Prozeßanalytik-Award 2017 ausgezeichnet. Dieser Preis wird jährlich vom Ar - beitskreis Prozeßanalytik der Fachgruppe Analytische Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker für die beste Disseration auf dem Gebiet der Prozeßanalytik für das zu - rückliegende Jahr vergeben. Nun wurden Johannes Paul Waclawek und Bernhard Lendl im Februar 2019 auch mit dem erstmals vergebenen und insgesamt mit 20.000 Euro dotierten Anton Paar Forschungspreis für Instrumentelle Analytik & Charakterisierung ausgezeichnet. Dieser Preis prämiert Forschungsleistungen, welche ein hohes Maß an Innovation, sowie ein großes Potential auf eine erfolgreiche Umsetzung im Markt aufweisen. Die Forscher der TU Wien konnten sich hier gegenüber 69 Einreichungen aus 19 Ländern erfolgreich durchsetzen. Moleküle, die Laserlicht schlucken Laser zum Aufspüren bestimmter Moleküle zu verwenden, ist keine neue Idee. Die Methode der Laser-Absorptionsspektroskopie setzt man in der Spurenanalytik schon länger ein. Dabei macht man sich zu Nutze, daß unterschiedliche Moleküle unterschiedliche Lichtfarben absorbieren: Je nach Wellenlänge wird ein bestimmter Laserstrahl von bestimmten Molekülen absorbiert, und Grafik: TU Wien Foto: TU Wien Eine schematische Darstellung der Meßzelle, entwickelt an der TU Wien Johannes Paul Waclawek (l.) und Prof. Bernhard Lendl von der TU Wien von anderen ungehindert durchgelassen. So kann man verschiedene Substanzen mit grosser Präzision nachweisen und voneinander unterscheiden. Normalerweise mißt man einfach, wie stark ein Laserstrahl von einem Gas abgeschwächt wird. Je weniger Licht des Lasers an einem Lichtdetektor ankommt, umso mehr Moleküle muß der Laserstrahl unterwegs ge - troffen haben, die einen Teil des Lichts ab - sorbieren konnten. „Wir haben einen ganz anderen Ansatz gewählt“, berichtet Johannes Waclawek. „Wir messen nicht die Abschwächung der Intensität eines Laserstrahls. Stattdessen messen wir mithilfe einer optischen Kavität die Brechungsindexänderung des Ga - ses, welche durch die Absorption der Laserstrahlung von Molekülen hervorgerufen wird.“ Erhitzte Moleküle – veränderte Lichtbrechung Wenn die gesuchten Moleküle das Laserlicht aufnehmen, heizen sie sich nämlich auf. Dadurch verändert sich auch der optische Brechungsindex des Gases. Das Phänomen kennt man vom Flimmern der heißen Luft »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 103 über einem brennenden Feuer: Heiße Luft hat eine geringere Dichte und das wirkt sich auf die Brechung des Lichts aus. Den veränderten Brechungsindex kann man sehr präzise messen: „Wir schicken einen zweiten Laserstrahl durch ein System aus zwei teildurchlässigen Spiegeln, das nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge optimal durchläßt“, erklärt Bernhard Lendl. „Wenn Spuren des gesuchten Gases vorhanden sind und sich erwärmen, ändert sich der optische Brechungsindex des Gases und so - mit die Wellenlänge, welche zwischen die beiden Spiegel paßt. Genau darauf reagiert das Messsystem dann extrem empfindlich.“ Bereits mit dem Prototypen, den Johannes Paul Waclawek entwickelte, lassen sich winzige Spuren von Schwefeldioxid in der Luft nachweisen: Konzentrationen im einstelligen Milliardstelbereich können gemessen werden, weitere Verbesserungen sollen die erreichbaren Nachweisgrenzen noch deutlich nach unten drücken. Ein wesentlicher Vorteil der neuen Meßtechnik ist ihre Miniaturisierbarkeit: Bei der klassischen Absorptionsspektroskopie muß man den Laserstrahl möglichst lange durch das zu untersuchende Gas lenken – oft über dutzende Meter, bis der Absorptionsprozeß stark genug ist um den Laserstrahl ausreichend abzuschwächen. Mißt man allerdings statt der Lichtabschwächung die Änderung des optischen Brechungsindex, ist eine Messung auf extrem kleinem Raum möglich, und selbst kleine Mengen an Gas können zu - verlässig analysiert werden. Im Prinzip könnte man die Meßtechnik auf einem Chip integrieren, und kleine tragbare Messgeräte bauen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Substanzen „erschnüffeln“ können. Einsatzmöglichkeiten für die neue Messtechnik gibt es viele – in der Umweltanalytik, wenn es darum geht, gefährliche Abgase nachzuweisen, in der Medizin, beispielsweise zur Analyse der Atemluft, oder auch in der Industrie, in der Qualitätssicherung beim Überwachen von Produktionsprozessen. Mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien wurde die neue Meß - technik bereits zum Patent angemeldet. n https://www.tuwien.at/

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