Laserskrivning kan muliggøre elektronisk næse til multigassensor

Miljøsensorer er et skridt tættere på samtidig at opsnuse flere gasser, der kunne indikere sygdom eller forurening, takket være et Penn State-samarbejde. Huanyu "Larry" Cheng, assisterende professor i ingeniørvidenskab og mekanik ved College of Engineering, og Lauren Zarzar, assisterende professor i kemi ved Eberly College of Science, og deres teams kombinerede laserskrivning og responsive sensorteknologier for at fremstille den første meget tilpasselige mikroskala gassensorer.

De offentliggjorde deres teknik i denne måned i ACS Applied Materials &Interfaces .

"Detektionen af ​​gasser er af afgørende betydning for forskellige områder, herunder forureningsovervågning, offentlig sikkerhed og personlig sundhedspleje," sagde Cheng. "For at opfylde disse behov skal sensorenheder være små, lette, billige og nemme at bruge og påføre forskellige miljøer og underlag, såsom tøj eller rør."

Ifølge Cheng er udfordringen at skabe enheder med de ønskede egenskaber, som stadig kan skræddersyes med den nødvendige infrastruktur til præcis og præcis sansning af forskellige målgasser på samme tid. Det er her Zarzars ekspertise med laserskrivning kommer ind i billedet.

"Laserskrivningsteknikker giver designfrihed til en bred vifte af felter," sagde Zarzar. "Ved at udvide vores forståelse af, hvordan man direkte syntetiserer, mønstrer og integrerer nye materialer - især nanomaterialer og nanomateriale-kompositter - i komplekse systemer, vil det give os mulighed for at skabe stadig mere sofistikerede og nyttige sanseteknologier."

Hendes forskningsgruppe udviklede den laser-inducerede termiske voxel-proces, som muliggør samtidig skabelse og integration af metaloxider direkte i sensorplatforme. Metaloxider er materialer, der reagerer på forskellige forbindelser og udløser følemekanismen. Med laserskrivning opløser forskerne metalsalte i vand og fokuserer derefter laseren ind i opløsningen. Den høje temperatur nedbryder opløsningen og efterlader metaloxidnanopartikler, der kan sintres på sensorplatformen.

Processen strømliner tidligere metoder, som krævede en foruddefineret maske af det planlagte mønster. Eventuelle ændringer eller justeringer krævede oprettelsen af ​​en ny maske – det kostede tid og penge. Laserskrivning er "maskeløs" ifølge Zarzar, og når det kombineres med den termiske voxel-proces, giver det mulighed for hurtig iteration og test af flere designs eller materialer for at finde de mest effektive kombinationer.

"Nøjagtig mønsterdannelse er også en nødvendig komponent for skabelsen af ​​'elektroniske næser' eller arrays af sensorer, der fungerer som en næse og præcist kan detektere flere gasser på samme tid," sagde Alexander Castonguay, kandidatstuderende i kemi og co-first. forfatter på papiret. "Sådan præcis detektion kræver mønsterdannelse af forskellige materialer i umiddelbar nærhed, i den tyndeste mikroskala. Få mønsterteknikker har opløsningen til at gøre dette, men det gør den fremgangsmåde, der er beskrevet i denne undersøgelse. Vi planlægger at bruge de teknikker og materialer, der er beskrevet her til at udvikle elektroniske næseprototyper."

Forskerne testede fem forskellige metaller og metalkombinationer, der i øjeblikket bruges i sensorer. Ifølge Castonguay dyrker det punkt, hvor forskellige metaloxider berører hinanden, kaldet en heterojunction, et unikt miljø ved grænsefladen mellem de to materialer, der forbedrer responsen fra gassensorer. Holdet fandt ud af, at en heteroforbindelse af kobberoxid og zinkoxid har en fem til 20 gange øget respons på de testede gasser - ethanol, acetone, nitrogendioxid, ammoniak og hydrogensulfid - over kun kobberoxid.

"Dette fund understøtter andre rapporter i den videnskabelige litteratur om, at skabelsen af ​​blandede oxidsystemer kan føre til betydelige stigninger i sensorrespons og demonstrerer effektiviteten af ​​den laser-inducerede termiske voxel-teknik til fremstilling af blandede oxidgassensorer," sagde Castonguay. "Vi håber, at vi ved at samle Zarzar-gruppens laserskrivningskendskab med Cheng-gruppens bærbare sensorekspertise, vil være i stand til at udvide vores muligheder for at skabe nye, tilpassede sensorer." + Udforsk yderligere

Nye åndbare gassensorer kan forbedre overvågningen af ​​sundhed, miljø