Holdbare carbon nanorør-sensorer kan ætses med mekaniske blyanter

Carbon nanorør tilbyder en kraftfuld ny måde at opdage skadelige gasser i miljøet. Imidlertid, de metoder, der typisk bruges til at bygge kulstof-nanorørsensorer, er farlige og ikke egnede til produktion i stor skala.

En ny fremstillingsmetode skabt af MIT-kemikere - så simpel som at tegne en streg på et ark papir - kan overvinde denne forhindring. MIT postdoc Katherine Mirica har designet en ny type blyantbly, hvor grafit er erstattet med et komprimeret pulver af kulstof nanorør. Føringen, som kan bruges med en almindelig mekanisk blyant, kan indskrive sensorer på enhver papiroverflade.

Sensoren, beskrevet i journalen Angewandte Chemie , registrerer små mængder af ammoniakgas, en industriel fare. Timothy Swager, John D. MacArthur professor i kemi og leder af forskerholdet, siger, at sensorerne kunne tilpasses til at detektere næsten enhver type gas.

"Det skønne ved dette er, at vi kan begynde at lave alle mulige kemisk specifikke funktionaliserede materialer, " siger Swager. "Vi tror, ​​vi kan lave sensorer til næsten alt, der er flygtigt."

Andre forfattere af papiret er kandidatstuderende Jonathan Weis og postdocs Jan Schnorr og Birgit Esser.

blyant det ind

Carbon nanorør er plader af kulstofatomer rullet ind i cylindre, der tillader elektroner at flyde uhindret. Sådanne materialer har vist sig at være effektive sensorer for mange gasser, som binder sig til nanorørene og hæmmer elektronstrømmen. Imidlertid, at skabe disse sensorer kræver opløsning af nanorør i et opløsningsmiddel såsom dichlorbenzen, ved hjælp af en proces, der kan være farlig og upålidelig.

Swager og Mirica satte sig for at skabe en opløsningsmiddelfri fremstillingsmetode baseret på papir. Inspireret af blyanter på hendes skrivebord, Mirica havde ideen til at komprimere kulstofnanorør til et grafitlignende materiale, der kunne erstatte blyantbly.

For at skabe sensorer ved hjælp af deres blyant, forskerne tegner en linje af kulstof-nanorør på et ark papir præget med små elektroder lavet af guld. De tilfører derefter en elektrisk strøm og måler strømmen, når den strømmer gennem carbon nanorørstrimlen, som fungerer som en modstand. Hvis strømmen ændres, det betyder, at gas har bundet sig til kulstofnanorørene.

Forskerne testede deres enhed på flere forskellige typer papir, og fandt ud af, at den bedste respons kom med sensorer tegnet på glattere papirer. De fandt også ud af, at sensorerne giver ensartede resultater, selv når mærkerne ikke er ensartede.

To store fordele ved teknikken er, at den er billig, og "blyantblyanten" er ekstremt stabil, siger Swager. "Du kan ikke forestille dig en mere stabil formulering. Molekylerne er immobiliserede, " han siger.

Den nye sensor kan vise sig nyttig til en række forskellige applikationer, siger Zhenan Bao, en lektor i kemiteknik ved Stanford University. "Jeg kan allerede tænke på mange måder, hvorpå denne teknik kan udvides til at bygge kulstof nanorør-enheder, " siger Bao, som ikke var en del af forskerholdet. "Sammenlignet med andre typiske teknikker, såsom spincoating, dip coating eller inkjet print, Jeg er imponeret over den gode reproducerbarhed af sanserespons, de var i stand til at få."

Sensorer til enhver gas

I dette studie, forskerne fokuserede på rene kulstof nanorør, men de arbejder nu på at skræddersy sensorerne til at detektere en lang række gasser. Selektivitet kan ændres ved at tilføje metalatomer til nanorørets vægge, eller ved at vikle polymerer eller andre materialer rundt om rørene.

En gas, forskerne er særligt interesserede i, er ethylen, hvilket ville være nyttigt til at overvåge frugtens modenhed, når den forsendes og opbevares. Holdet forfølger også sensorer til svovlforbindelser, hvilket kan være nyttigt til at opdage naturgaslækager.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.