Jernnanokuber kan være nøglen i fremtiden for NO2-sansning

Mens nanopartikler lyder som en nylig opdagelse, disse små strukturer har været brugt i århundreder. Den berømte Lycurgus kop, lavet af romerske håndværkere fra det 4. århundrede, har dikroisk glas, med guld og sølv nanopartikler drysset overalt, frembringer et grønt udseende, når lyset skinner på den forfra, og et rødt udseende, når det belyses bagfra.

I århundrederne siden de gamle håndværkeres tid, forskere er nået langt med at forstå nanopartikler. Produktionen af ​​nanokuber har været af særlig interesse på grund af deres potentielle anvendelser som biosensorer og gassensorer. Nanopartikler kan fremstilles ved hjælp af enten fysiske eller kemiske metoder, selvom fysiske metoder er fordelagtige på grund af fraværet af organiske forurenende stoffer, der almindeligvis introduceres ved kemiske metoder. Imidlertid, ensartede nanokuber er vanskelige at fremstille i tilstrækkelige mængder ved fysiske metoder. Forskere fra Nanoparticles by Design Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University har for nylig opdaget en ny tilgang til at overvinde dette problem. Deres forskning blev for nylig offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer .

"Terningformen er ikke den laveste energistruktur for jernnanopartikler", forklarer Dr. Jerome Vernieres, første forfatter til publikationen, "dermed, vi kunne ikke stole på ligevægtstermodynamiske overvejelser til selv at samle disse nanokuber". I stedet, OIST-forskerne, under vejledning af prof. Mukhles Sowwan, udnyttede mulighederne ved en teknik kaldet magnetron-sputtering inert-gas kondensation til at skabe deres jern nanokuber. Med denne metode, argongas varmes først op og omdannes til ioniseret plasma. Derefter, en magnet, passende placeret bag et mål lavet af det ønskede materiale, I dette tilfælde, jern, styrer plasmaets form, og sikrer, at argon-ioner bombarderer målet; deraf navnet "magnetron". Som resultat, jernatomer sputteres væk fra målet, kolliderer med argon atomer og med hinanden, og danner nanopartikler. Nøjagtig kontrol af plasmaet via styring af magnetfeltet kan producere ensartede nanokuber. "Ensartethed er nøglen til at registrere applikationer. Vi havde brug for en måde at kontrollere størrelsen på, form, og antallet af nanokuberne under deres produktion", forklarede Dr. Stephan Steinhauer.

For at kontrollere størrelsen og formen af ​​disse terninger, forskerne lavede en enkel, men betydningsfuld observation:Jern er magnetisk i sig selv! Med andre ord, forskerne opdagede, at de kunne udnytte selve målets iboende magnetisme som en innovativ måde at modificere magnetronens magnetfelt. På denne måde lykkedes det dem at manipulere plasmaet, hvor partiklerne dyrkes, og dermed styre nanokubestørrelserne under dannelsen. "Det er første gang, ensartede jernnanokuber er blevet fremstillet ved hjælp af en fysisk metode, der kan skaleres til masseproduktion" præciserer Vernieres. For bedre at forstå mekanikken i denne proces, OIST-holdet samarbejdede med forskere fra Helsinki Universitet om at lave teoretiske beregninger. "Arbejdet byggede i høj grad på både eksperimentelle metoder og teoretiske beregninger. Simuleringerne var vigtige for os for at forklare de fænomener, vi observerede", oplyser Dr. Panagiotis Grammatikopoulos.

Da forskerne opfandt en måde at fremstille disse ensartede jernterninger på, det næste skridt var at bygge en elektronisk enhed, der kan bruge disse nanokuber til sanseapplikationer. "Vi har bemærket, at disse terninger var ekstremt følsomme over for niveauerne af gasformig NO2. NO2-sensing bruges til en række forskellige formål, fra diagnose af astmapatienter til påvisning af miljøforurening, så vi så straks en ansøgning til vores arbejde", fastslår Steinhauer. Forskerne fra Nanoparticles by Design Unit, i samarbejde med forskere fra Université de Toulouse, byggede derefter en prototype NO2-sensor, der målte ændringen i elektrisk modstand af jernnanokuberne på grund af eksponering for NO2-gas. Fordi eksponering for selv en meget lille mængde NO2 kan producere en målbar ændring i elektrisk modstand, der er betydeligt større end for andre atmosfæriske forurenende stoffer, den jern nanocube-baserede sensor er både ekstremt følsom og specifik. "Disse nanokuber har mange potentielle anvendelsesmuligheder. Det faktum, at vi kan producere en relativt stor mængde ensartede nanokuber ved hjælp af en stadig mere almindelig syntesemetode, gør denne forskning meget lovende til industrielle anvendelser, " understregede Vernieres.