Forskere bruger grafenkvantepunkter til at detektere fugtighed og tryk

Den seneste forskning fra en kemiingeniør fra Kansas State University kan hjælpe med at forbedre fugtigheds- og tryksensorer, især dem, der bruges i det ydre rum.

Vikas Berry, William H. Honstead professor i kemiteknik, og hans forskerhold bruger grafenkvantepunkter til at forbedre sanseapparater i et todelt projekt. Den første del involverer fremstilling af grafenkvantepunkterne, som er ultralette stykker grafen. Grafen er et enkelt atom-tykt lag af carbonatomer og har overlegen elektrisk, mekaniske og optiske egenskaber. Den anden del af projektet indebærer at inkorporere disse kvantepunkter i elektron-tunnelingbaserede sanseapparater.

For at oprette grafenkvantepunkterne, forskerne brugte nanoskala -skæring af grafit til at producere grafen -nanoribbons. T.S. Sreeprasad, en postdoktor i Berrys gruppe, kemisk spaltede disse bånd i 100 nanometer laterale dimensioner.

Forskerne samlede kvantepunkterne i et netværk på en hydroskopisk mikrofiber, der var fastgjort til elektroder på dens to sider. De placerede de samlede kvantepunkter mindre end et nanometer fra hinanden, så de ikke var fuldstændigt forbundet. Sammensætningen af ​​prikker ligner en majs på kolberstrukturen - majskerner er nanoskala kvanteprikker, og kolben er mikrofiber.

Flere forskere - herunder fire alumner i kemi i 2012:Augustus Graham, Alfredo A. Rodriguez, Jonathan Colston og Evgeniy Shishkin - anvendte et potentiale på tværs af fiberen og kontrollerede afstanden mellem kvantepunkterne ved at justere den lokale luftfugtighed, som ændrer strømmen, der strømmer gennem prikkerne.

"Hvis du reducerer luftfugtigheden omkring denne enhed, vandet i denne fiber går tabt, "Sagde Berry." Som et resultat, fiberen krymper, og de grafiske komponenter, der ligger oven på, kommer tæt på hinanden i nanometer skala. Dette øger elektrontransporten fra den ene prik til den næste. Bare ved at aflæse strømmen kan man se fugtigheden i miljøet. "

Nedsættelse af afstanden mellem grafenkvantepunkterne med 0,35 nanometer øgede enhedens ledningsevne med 43 gange, Sagde Berry. Desuden, fordi luft indeholder vand, reducering af lufttrykket reducerede dets vandindhold og fik grafenkvantepunkterne til at komme tættere på hinanden, hvilket øger ledningsevnen. Kvantemekanik tyder på, at elektroner har en begrænset sandsynlighed for tunnel fra en elektrode til en ikke -forbundet elektrode, Sagde Berry. Denne sandsynlighed er omvendt og eksponentielt proportional med tunnelafstanden, eller mellemrummet mellem elektroderne.

Forskningen har mange anvendelser, især til forbedring af sensorer til fugtighed, tryk eller temperatur.

"Disse enheder er unikke, fordi, i modsætning til de fleste fugtighedsfølere, disse reagerer mere i vakuum, "Sagde Berry." For eksempel, disse enheder kan inkorporeres i rumfærger, hvor lav luftfugtighed måles. Disse sensorer kan muligvis også registrere spor af vand på Mars, som har 1/100 af jordens atmosfæriske tryk. Dette skyldes, at enheden måler luftfugtighed ved en meget højere opløsning i vakuum. "

Mens enhedens hjerte er modulering af elektrontunnel, enhedens reaktion er gennem polymermikrofiber, Sagde Berry. Hans team ser også på at ændre polymeren for at finde andre applikationer til denne forskning.

"Hvis du udskifter denne polymer med en polymer, der reagerer på andre stimuli, du kan lave en anden slags sensor, "Berry sagde." Jeg forestiller mig, at dette projekt vil have en bred indflydelse på sansning. "

Forskningen understøttes af Berrys femårige, $ 400, 000 National Science Foundation CAREER -pris. Forskningsresultaterne fremgår af en nylig udgave af tidsskriftet Nano bogstaver i en artikel med titlen "Elektron-tunneling modulering i perkoleringsnetværk af grafenkvantepunkter:fremstilling, fænomenologisk forståelse, og applikationer til fugt-/trykføling. "

Berrys forskerhold studerer også molekylære maskiner, der er forbundet med grafen. I dette arbejde, forskerne er i stand til mekanisk at aktivere molekylerne, som undergår en ændring i det elektriske felt omkring dem og påvirker bærertætheden af ​​det interfaced grafen. Dette arbejde vil blive vist i et kommende nummer af tidsskriftet Lille i en artikel med titlen "Kovalent funktionalisering af dipolmodulerende molekyler på trelags grafen:en vej til grafen-interfacede molekylære maskiner."

Forskerne har fundet ud af, at grafen reagerer følsomt på molekylær bevægelse. Phong Nguyen, en doktorand i kemiteknik og hovedforfatter af værket, bundne aktiveringsmolekyler på grafen og målte enhedens respons.

"Den næste fase af videnskaben ud over nanoteknologi vil være molekylær teknologi, "Berry sagde." Vi arbejder på at udvikle ruter til at inkorporere molekylære maskiner i enheder. "