Brug af grafenskum til at detektere subtile spor af farlige gasser, sprængstoffer

Fazel Yavari har udviklet en ny sensor til at detektere ekstremt små mængder af farlige gasser. Rensselaer Polytechnic Institute doktorand udnyttede kraften i verdens tyndeste materiale, grafen, at skabe en enhed, der er holdbar, billig at lave, og utrolig følsom.

En studerende på Institut for Mekanik, Luftfart, og Nuklear Engineering hos Rensselaer, Yavaris sensor åbner døren til en ny generation af gasdetektorer til brug for bombehold, forsvars- og retshåndhævende embedsmænd, såvel som i industrielle omgivelser. For denne innovation, Yavari er blevet kåret som vinderen af ​​2012 $30, 000 Lemelson-MIT Rensselaer Studenterpris. Han er blandt de tre 2012 $ 30, 000 Lemelson-MIT Collegiate Student Prize-vindere annonceret i dag.

“Innovation af løsninger på morgendagens udfordringer kræver en vis form for individ – en, der er klar og villig til at tage kalkulerede risici og gribe lovende muligheder. Disse arkitekter af forandring skubber den nyeste teknik fremad, og kan påvirke fremskridt på global skala, ” sagde Rensselaers præsident Shirley Ann Jackson. "Fazel Yavari, med sin kreative udnyttelse af grafen til at skabe en lovende ny gassensor, er et stjerneeksempel på sådan en forandringsarkitekt. Vi ønsker ham tillykke, og bifalder alle vinderne og finalisterne af Lemelson-MIT Collegiate Student Prize for at innovere en dristigere, lysere fremtid."

Yavari er den sjette modtager af Lemelson-MIT Rensselaer Student Prize. Først givet i 2007, prisen uddeles årligt til en Rensselaer senior- eller kandidatstuderende, der har skabt eller forbedret et produkt eller en proces, anvendt en teknologi på en ny måde, redesignet et system, eller demonstreret bemærkelsesværdig opfindsomhed på andre måder.

"Dette års Lemelson-MIT Collegiate Student Prize-vindere og finalister fra MIT, RPI, og UIUC er med til at opfylde landets behov for innovation. Disse studerendes passion for opfindelser og deres ideer vil forbedre folks liv rundt om i verden, " siger Joshua Schuler, administrerende direktør for Lemelson-MIT-programmet. "Vi bifalder deres præstationer, som utvivlsomt også vil inspirere fremtidige generationer af opfindere."

Grafendrevet gasdetektion

Med sit projekt, med titlen “Høj følsomhedsdetektion af farlige gasser ved hjælp af et grafenskumnetværk, ”Yavari overvinder de mangler, der har forhindret nanostrukturbaserede gasdetektorer i at nå markedet.

Detektering af spormængder af farlige gasser i luften er en kritisk sikkerheds- og sundhedshensyn i mange forskellige situationer, fra industriel fremstilling og kemisk forarbejdning til bombedetektering og miljøovervågning. Konventionelle gassensorer er enten for omfangsrige og dyre, hvilket begrænser deres brug i mange applikationer, eller de er ikke følsomme nok til at opdage spormængder af gasser. Også, mange kommercielle sensorer kræver meget høje temperaturer for at detektere gasser tilstrækkeligt, og kræver til gengæld store mængder strøm.

Forskere har længe søgt at udnytte nanomaterialers magt til gasdetektering. Individuelle nanostrukturer som grafen, et atomtykt ark af kulstofatomer arrangeret som et hønsetrådshegn i nanoskala, er ekstremt følsomme over for kemiske ændringer. Imidlertid, at skabe en enhed baseret på en enkelt nanostruktur er dyrt, meget kompleks, og de resulterende enheder er ekstremt skrøbelige, tilbøjelig til at mislykkes, og tilbyder inkonsekvente aflæsninger.

Yavari har overvundet disse forhindringer og skabt en enhed, der kombinerer den høje følsomhed af et nanostruktureret materiale med holdbarheden, lav pris, og brugervenlighed for en makroskopisk enhed. Hans nye grafenskumsensor, omtrent på størrelse med et frimærke og så tykt som filt, virker ved stuetemperatur, er betydeligt billigere at lave, og stadig meget følsom over for små mængder gasser. Sensoren fungerer ved at læse ændringerne i grafenskumets elektriske ledningsevne, når den støder på gaspartikler, og de klæber til skumets overflade. En anden fordel ved Yavaris enhed er dens evne til hurtigt og nemt at fjerne disse fastsiddende kemikalier ved at anvende en lille elektrisk strøm.

Den nye grafenskumsensor er blevet konstrueret til at detektere gasserne ammoniak og nitrogendioxid, men kan også konfigureres til at fungere med andre gasser. Ammoniakdetektion er vigtig, da gassen er almindeligt anvendt i industrielle processer, og ammoniak er et biprodukt af flere sprængstoffer. Nitrogendioxid er også et biprodukt af flere sprængstoffer, samt et nøje overvåget forurenende stof fundet i forbrændingsudstødning og autoemissioner. Yavaris sensor kan registrere begge gasser i mængder helt ned til 0,5 dele pr. Million ved stuetemperatur.