Highlights

Bildgebende Verfahren mit Hilfe optischer Sensoren werden in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen wie der medizinischen Forschung und Diagnostik, der Aerodynamik, der Umweltanalytik oder der Meeresforschung eingesetzt. Im nachstehenden Übersichtsartikel geben Prof. Michael Schäferling und Dr. Vladimir Ondrus vom Labor für Photonische Materialien eine allgemeine Einführung in dieses Gebiet. Zu den behandelten Themen gehören planare Sensoren (Optroden), Nanosonden und sensitive Beschichtungen. Neu entwickelte Sensormaterialien in Kombination mit bildgebenden Technologien ermöglichen die Visualisierung von Parametern, die keine Eigenfarbe oder Fluoreszenz aufweisen, wie Sauerstoff, pH, CO₂, H₂O₂, Ca²⁺, NH₃ oder Druck und Temperatur. Die Fortschritte bei der Entwicklung von Mehrfachsensoren und Methoden zur Referenzierung der Signale werden ebenso hervorgehoben wie die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von Geräten und Anwendungsformaten für Messungen mit Modellsystemen im Labor oder für den praktischen Einsatz im Feld.

M. Schäferling, V. Ondrus: The Art of Fluorescence Imaging with Chemical Sensors: The Next Decade 2012-2022. Chemosensors 12 (2024), 31, DOI: 10.3390/chemosensors12030031

Anorganische Hochleistungsmaterialien sind ein zentraler Teil in der Lichterzeugungskette moderner Festkörperbeleuchtungseinrichtungen. Neben den auf III/V-Halbleitern basierenden Chips enthalten zeitgemäße Licht emittierende Dioden (LEDs) eine anwendungsspezifische Mischung von Leuchtstoffen. Diese fungieren dabei als Konversionsmaterialien, dienen also der Umwandlung der Ausgangsstrahlung hin zu einem gewünschten Zeilspektrum.

Europium-aktivierte Wolframate, eine Materialklasse, die sich strukturell durch [WO₄]- oder [WO₆]-Einheiten auszeichnet, zeigen vielversprechende optische Eigenschaften. Unter anderem erlauben Wolframate eine hohe Aktivator-Konzentration, zeigen ein geringes Maß an thermischer Löschung und bieten die Möglichkeit einer intrinsischen Sensibilisierung von Aktivatoren. Dies macht sie besonders interessant als potenzielle Konverter-Materialien für den roten Spektralbereich.

T. Pier, T. Jüstel: Application of Eu(III) activated tungstates in solid state lighting, Opt. Mater. X 22 (2024) 100299, DOI: https://doi.org/10.1016/j.omx.2024.100299

Theranostik ist ein Oberbegriff aus der Medizin und steht für die Kombination von Therapie und Diagnostik. Mit einer effizienten Methode für die Strahlentherapie und der Visualisierung der Nanopartikel hat sich Jan Kappelhoff während seiner Promotion beschäftigt.

Hierzu wurden Pr³⁺ und Nd³⁺ co-dotierte nanoskalige LuPO₄-Partikel synthetisiert und das emittierte UV-C Strahlungsspektrum charakterisiert und optimiert. Mit dem Einsatz der Nanopartikel in der Lungenkrebszelllinie A549 konnte gezeigt werden, dass in Kombination mit der Bestrahlung von 4 Gy eine höhere Inaktivierungsrate der Krebszellen erreicht wurde als nur mit der reinen Bestrahlung.

Außerdem zeigen Eu³⁺-dotierte nanoskalige LuPO₄-Partikel ein sehr interessantes Emissionsmuster für die Anwendung in der Diagnostik. Durch die Lu³⁺-Lage und die Substitution durch Eu3+ emittiert dieses Material mit einem Emissionsmaximum bei 696 nm. Hier liegt ein für die Haut "transparentes optisches Fenster". In Versuchen wurden die Nanopartikel in A549-Krebszellen inkubiert und konnten erfolgreich mittels einer UV-A Anregungsquelle visualisiert werden.

Thao Tran, Jan Kappelhoff, Thomas Jüstel, Rox Anderson, and Martin Purschke "UV emitting nanoparticles enhance the effect of ionizing radiation in 3D lung cancer spheroids" International Journal of Radiation Biology 98(86) 1-34 (2022), DOI:10.1080/09553002.2022.2027541

Das aktuelle Buch aus drei Bänden gibt eine umfassende Übersicht über die vielen chemischen und physikalisch-chemischen Aspekte anorganischer Verbindungen und Materialien und wurde konzipiert als Einführung für fortgeschrittene Studierende und als Nachschlagewerk nach dem Studium (Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Ingenieurwesen).

Herausgegeben von: Rainer Pöttgen, Thomas Jüstel und Cristian A. Strassert

Erscheinungsdatum: 05.12.2022, 1. Auflage, doi: 10.1515/9783110733143

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Thermometer gibt es in vielen verschiedenen Formen und Bauarten. Von klassischen Stabthermometern über elektronische bis hin zu dekorativen Thermometern mit unterschiedlich eingefärbten Schwimmkörpern.

Aber was ist nun ein optisches Thermometer und wofür wird ein solches eingesetzt?

Als optische Thermometer werden bspw. chemische Verbindungen bezeichnet, die bei Temperaturänderung ihre Emissionsmuster ändern. Solche Materialien werden unter anderem für medizinische Anwendungen diskutiert. Hier sollen nanometergroßer Partikel eingesetzt werden, um unterschiedliche Zelltemperaturen zu bestimmen. Außerdem können Farben und Lacke, welche optische Thermometer enthalten, für die Temperaturbestimmung von Bauteilen wie Tragflächen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.

Die hier vorgestellte Veröffentlichung befasst sich mit der Mischkristallreihe Li₃Ba₂La_3-xPr_x(WO₄)₈ (x = 0-3). Bei der Untersuchung der Photolumineszenz konnte gezeigt werden, dass das Emissionsverhalten eine prägnante Temperaturabhängigkeit aufwies. Bei einer Temperaturänderung verschob sich das Intensitätsverhältnis zweier Emissionslinien zueinander. Dieses kann nun genutzt werden, um die Temperatur des Leuchtstoffes durch die Aufnahme eines Emissionsspektrums abzulesen.

J.-N. Keil, C. Paulsen, F. Rosner, R. Pöttgen, T. Jüstel: Crystallographic and Photoluminescence Studies on the Solid Solution Li₃Ba₂La₃-_xPr_x(WO₄)₈ (x = 0-3), J. Luminescence 252 (2022) 119415, doi: 10.1016/j.jlumin.2022.119415

Von der Funktionsweise von Solarzellen bis hin zu Tipps zur Planung einer kompletten Photovoltaikanlage - in seinem Werk "Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen, Theorie und Praxis" liefert Prof. Mertens Antworten auf viele Fragen rund um die Photovoltaik. Der Leiter des Labors für Optoelektronik und Sensorik hat nun die sechste, aktualisierte und erweiterte Auflage des Lehrbuchs herausgegeben. Darin geht er auf aktuelle technische und gesellschaftliche Entwicklungen ein.

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K. Mertens: Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, 6. Auflage (2022) --> Webseite zum Lehrbuch

D. Voigt, G. Primavera, H. Uphoff, J. A. Rethmeier, L. Schepp, M. Bredol: Ternary chalcogenide-based quantum dots and carbon nanotubes: establishing a toolbox for controlled formation of nanocomposites, J. Phys. Chem. C, 126 (2022), 9076-9090, doi: 10.1021/acs.jpcc.2c01142

Gemeinsam mit Hochschulkolleg*innen aus Deutschland, Dänemark und Schweden entwickelt Prof. Dr. Konrad Mertens in einem zweijährigen Projekt eine Online-Lernplattform zum Thema Photovoltaik.

Vor zwei Jahren bot Prof. Dr. Konrad Mertens von der FH Münster eine Summer School über Photovoltaik an der Elfenbeinküste an - und stieß auf großes Interesse. Eine neue Online-Lernplattform soll die Wissensvermittlung über Solaranlagen und Messtechnik zukünftig für Studierende weltweit verbessern. Dieses Angebot gilt insbesondere Studierenden aus Entwicklungsländern, die oftmals keinen Zugang zu aktuellen Themen der Photovoltaik haben.

Die Arbeit behandelt den Energietransfer zwischen Gadolinium und Praseodym im Lu₃Al₅O₁₂. Dazu wurde eine feste Lösung (Lu_2,97-x,Pr_0,03Gd_x)Al₅O₁₂ (x = 0,003, 0,006, 0,015, 0,03, 0,06, 0,15, 0,3, 0,6) mittels Verbrennungsmethode dargestellt und in Bezug auf Phasenreinheit und Reflexionseigenschaften hin untersucht. Ferner stellte sich heraus, dass die Emissionsintensität stark von der Gd³⁺-Konzentration abhängt. Weiterhin wurde der Energietransfer zwischen Praseodym und Gadolinium in (Lu_2,82Pr_0,03Gd_0,15)Al₅O₁₂ durch Messung der zeit- und temperaturabhängigen Lumineszenz von 77 bis 500 K des ⁶P_7/2 → ⁸S_7/2- und ³P₀ → ³H₄-Übergangs von Gd³⁺ und Pr³⁺ untersucht. Es konnte herausgefunden werden, dass die Emissionsintensitäten und das Abklingverhalten von Gadolinium und Praseodym stark von der Temperatur abhängen.

M. Laube, T. Jüstel: On the temperature and time dependent photoluminescence of Pr³⁺ and Gd³⁺ doped Lu₃Al₅O₁₂, Journal of Luminescence, 236 (2021), 118112, doi: 10.1016/j.jlumin.2021.118112

Wenn eine Publikation von der OSA - Optical Society of America als "Editor's Pick" (deutsch: Redaktionstipp) ausgewählt wird, ist das schon eine besondere Auszeichnung. Mit dem Editor's Pick werden Publikationen hervorgehoben, die nicht nur repräsentativ für die Arbeiten in einem spezifischen Forschungsfeld sind, sondern darüberhinaus auch eine exzellente wissenschaftliche Qualität aufweisen.

Die "on-the-fly" Remote-Laserbearbeitung spielt eine immer wichtigere Rolle in modernen Herstellungsverfahren. Für diese Verfahren wird eine dreidimensionale Positionierung des Laserstrahls entlang der Konturen des Werkstücks benötigt. Aktuell verfügbare Galvanometer-Scanner verfügen bereits über eine hochdynamische und präzise transversale x—y Strahllenkung. Die Veränderung der Brennweite ("z-shifting") durch konventionelle Optiken ist jedoch auf eine Bandbreite von wenigen 100 Hz begrenzt. Zur Lösung dieses Problems hat das Labor für Photonik einen auf Piezokeramiken basierenden schnellen Z-Shifter mit beugungsbegrenzter Oberflächengüte entwickelt und gebaut. Dieser Z-Shifter erreicht eine Brennweitenverschiebung größer 60 mm bei einer Aktuationsrate von 2 kHz.

S. Verpoort, M. Bittner and U. Wittrock: Fast focus-shifter based on a unimorph deformable mirror, Appl. Opt. 59, 6959-6965 (2020), doi: 10.1364/AO.397495 | ✔ Editor's Pick

Anwendungen und physikalische Mechanismen der Ausbildung von metallischen kronenähnlichen Strukturen wurden in einer gemeinsamen Forschungsarbeit mit der Far Eastern Federal University in Wladiwostok, Russland, untersucht und in Applied Surface Science veröffentlicht. Bei Laserstrukturierung von dünnen Metallschichten auf Glas- oder Siliziumsubstraten erscheinen metallische Nanokronen. Sie werden gebildet aufgrund einer hydrodynamischen Rayleigh-Plateau-Instabilität am metallischen Schmelzrand des laserinduzierten Kraters. . Solche Strukturen können genutzt werden, um die Detektionsempfindlichkeit bei der Raman-Spektroskopie zu erhöhen.

D.V. Pavlov, S.O. Gurbatov, S.I. Kudryashov, E.L. Gurevich, A.A. Kuchmizhak: Laser-induced surface relief nanocrowns as a manifestation of nanoscale Rayleigh-Plateau hydrodynamic instability, Appl. Surf. Sci. 511, 145463 (2020), doi: 10.1016/j.apsusc.2020.145463

Die Carbonatisierung von Stahlbeton durch Einwirkung von CO₂ und das damit verbundene Absinken der pHs führt zu unerwünschten Schädigungen des Materials durch die Korrosion eingebauter Stahlträger. Ein pH-Wert unter 11,5 zeigt das Eintreten der Carbonatisierung und damit verbundener Folgeschäden an. Prof. Schäferling vom Labor für photonische Materialien hat in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Materialforschung- und Prüfung (BAM) einen faseroptischen Sensor zur zerstörungsfreien Überwachung des pHs in Beton entwickelt, der nun in Prüfkörpern hinsichtlich der Langzeit-Funktionalität getestet wird.

J. Bartelmess, D. Zimmek, M. Bartholmai, C. Strangfeld, M. Schäferling: Fibre optic ratiometric fluorescence pH sensor for monitoring corrosion in concrete, Analyst (2020), doi: 10.1039/C9AN02348H