Nowe nano-taśmy z grafenu nadają czujnikom niespotykaną czułość

Anonim

Przypinanie taśm węglowych o rozmiarach DNA do czujnika gazu może zwiększyć jego czułość znacznie lepiej niż jakikolwiek inny znany materiał węglowy, mówi nowe badanie z University of Nebraska-Lincoln.

Zespół opracował nową formę nano-wstążki wykonanej z grafenu, 2-D plastra miodu z atomów węgla. Kiedy naukowcy połączyli film nanocząstek w obwodzie czujnika gazu, zareagował on około 100 razy bardziej czule na cząsteczki niż czujniki zawierające nawet najlepiej wykonane materiały na bazie węgla.

"Wcześniej badaliśmy czujniki oparte na innych materiałach na bazie węgla, takich jak grafen i tlenek grafenu" - powiedział Alexander Sinitskii, profesor chemii w Nebrasce. "W przypadku nano-wstążek grafenowych byliśmy pewni, że zobaczymy jakąś reakcję czujnika, ale nie spodziewaliśmy się, że będzie to o wiele więcej niż wszystko, co widzieliśmy w przeszłości."

Zgłaszając swoje odkrycia w czasopiśmie Nature Communications, naukowcy wykazali, że cząsteczki gazu mogą radykalnie zmienić opór elektryczny folii nano-wstęgowych. Różne gazy produkowały różne sygnatury oporowe, pozwalając czujnikowi na rozróżnienie między nimi.

"Dzięki wielu czujnikom na chipie byliśmy w stanie zademonstrować, że potrafimy rozróżnić cząsteczki o niemal takiej samej chemicznej naturze" - powiedział Sinitskii, członek Centrum Materiałów i Nanobiologii w Nebrasce. "Na przykład możemy odróżnić metanol i etanol od siebie, więc te czujniki oparte na nano-wstążkach grafenowych mogą być nie tylko czułe, ale także selektywne".

Sinitskii i jego koledzy podejrzewają, że niezwykła wydajność nano-wstążek wynika częściowo z niezwykłej interakcji pomiędzy wstążkami i cząsteczkami gazu. W przeciwieństwie do swoich poprzedników, nano-wstążki zespołu - które przypominają uporządkowane rzędy pasków koszuli Charliego Browna - stoją pionowo, a nie leżą płasko na powierzchni. Zespół zaproponował, że cząsteczki gazu mogą przesunąć te szeregi, skutecznie wydłużając szczeliny między nano-tasiemkami, które elektrony muszą przeskoczyć, aby przewodzić prąd.

Wprowadź pierścień (benzen)

Graphene, którego odkrycie w 2004 roku ostatecznie uzyskało nagrodę Nobla, szczyci się niezrównaną przewodnością elektryczną. Jednak brak luki w zespole - która wymaga elektronów, aby uzyskać energię przed skokiem z ich bliskich orbit wokół atomów do zewnętrznej "pasma przewodnictwa", która napędza przewodnictwo - początkowo uniemożliwił naukowcom wyłączenie tej przewodności. To z kolei stanowiło wyzwanie dla stosowania grafenu w elektronice, który wymaga regulacji przewodności materiału według własnego uznania.

Jednym z możliwych rozwiązań było przycięcie arkuszy grafenu aż do nanoskopowych wstążek, które sugerowały symulacje komputerowe, które posiadałyby nieuchwytny pasmo wzbronione. Okazało się, że trudno to zrobić z precyzją atomową, potrzebną do zachowania właściwości, które sprawiły, że grafen stał się atrakcyjny, więc naukowcy zaczęli wytwarzać wstęgi od dołu do góry poprzez strategiczne łączenie cząsteczek na pewnych typach stałych powierzchni. Chociaż proces ten działał - a powstałe wstęgi miały przerwę w zespole - ograniczyło to naukowców do fabrykowania zaledwie kilku wstążek naraz.

W 2014 roku Sinitskii zapoczątkował podejście, które umożliwia masowe wytwarzanie nano-wstążek w płynnym roztworze, co jest ważnym krokiem w kierunku zwiększenia technologii dla aplikacji elektronicznych. Ale filmy wykonane z tych nano-wstążek nie były wystarczająco przewodzące, aby wykonywać pomiary elektryczne. Najnowsze badania zespołu zaadaptowały oryginalne podejście chemiczne poprzez dodanie pierścieni benzenowych - okrągłych cząsteczek z sześcioma atomami węgla i wodoru - po obu stronach nano-wstążki pierwszej generacji. Pierścienie te poszerzyły taśmę, zmniejszając jej pasmo wzbronione i zwiększając jej zdolność do przewodzenia prądu.

"Ludzie często nie myślą o nano-wstążkach grafenowych jako materiale sensorycznym" - powiedział Sinitskii. "Jednak to samo (właściwość), która sprawia, że ​​nanowypusty są dobre dla takich urządzeń, jak tranzystory - możliwość zmiany ich przewodnictwa o kilka rzędów wielkości - jest również tym, co czyni je dobrym dla czujników.

"Możliwe jest projektowanie wielu różnych nano-wstęg grafenowych o bardzo zróżnicowanych właściwościach, do tej pory wykazano jedynie kilka rodzajów eksperymentów, ale istnieje wiele interesujących teoretycznych prognoz dotyczących wstęg, które jeszcze nie zostały zsyntetyzowane przez chemików. jest bardzo prawdopodobne, że w niedalekiej przyszłości zostaną opracowane nowe nano-taśmy o jeszcze lepszych właściwościach czujnika lub innych ekscytujących właściwościach. "

menu
menu