Nye nano-bånd med grafen giver sensorer en hidtil uset følsomhed

Fastgørelse af DNA-bånd af kulstof til en gassensor kan øge dens følsomhed langt bedre end noget andet kendt kulstofmateriale, siger en ny undersøgelse fra University of Nebraska-Lincoln.

Teamet udviklede en ny form for nano-bånd fremstillet af grafen, en 2-D honningkage af carbonatomer. Når forskerne integrerede en film af nanobåndene i kredsløbet for en gassensor, det reagerede omkring 100 gange mere følsomt over for molekyler end sensorer med selv de bedst effektive kulstofbaserede materialer.

"Vi har tidligere undersøgt sensorer baseret på andre kulstofbaserede materialer som grafen og grafenoxid, "sagde Alexander Sinitskii, lektor i kemi i Nebraska. "For grafen-nanobånd, vi var sikre på, at vi ville se noget sensorrespons, men vi forventede ikke, at det ville være så meget højere end noget, vi tidligere har set. "

Rapporterer deres resultater i journalen Naturkommunikation , forskerne viste, at gasmolekyler dramatisk kan ændre den elektriske modstand af nanobåndfilm. Forskellige gasser frembragte forskellige modstandssignaturer, giver sensoren mulighed for at skelne mellem dem.

"Med flere sensorer på en chip, vi var i stand til at demonstrere, at vi kan skelne mellem molekyler, der har næsten samme kemiske natur, "sagde Sinitskii, medlem af Nebraska Center for Materials and Nanoscience. "For eksempel, vi kan se methanol og ethanol fra hinanden. Så disse sensorer baseret på grafen-nanobånd kan ikke kun være følsomme, men også selektive. "

Sinitskii og hans kolleger formoder, at nanobåndets bemærkelsesværdige ydeevne delvis skyldes et usædvanligt samspil mellem båndene og gasmolekylerne. I modsætning til sine forgængere, holdets nanobånd-der ligner bestilte rækker af Charlie Browns skjortestriber-står lodret frem for at ligge fladt på en overflade. Teamet har foreslået, at gasmolekyler kan skubbe disse rækker fra hinanden, effektivt forlænger hullerne mellem nanobånd, som elektroner skal springe for at lede elektricitet.

Indtast (benzen) ringen

Graphene, hvis opdagelse i 2004 til sidst gav en nobelpris, kan prale af uovertruffen elektrisk ledningsevne. Men materialets mangel på et båndgab - som kræver, at elektroner får energi, før de hopper fra deres nærbaner rundt om atomer til et ydre "ledningsbånd", der driver ledningsevne - forhindrede i første omgang forskere i at slukke denne konduktivitet. Det her, på tur, stillet udfordringer med at anvende grafen i elektronik, der kræver justering af materialets ledningsevne efter behag.

En potentiel løsning involverede at trimme ark af grafen ned til nanoskopiske bånd, som computersimuleringer foreslog ville have det undvigende båndgab. Dette viste sig at være svært at gøre med den atompræcision, der var nødvendig for at bevare de egenskaber, der gjorde grafen tiltalende i første omgang, så forskere begyndte at fremstille bånd fra bunden og op ved strategisk at snappe molekyler sammen på visse typer faste overflader. Selvom processen fungerede - og de resulterende bånd havde et båndgab - begrænsede det forskere til at fremstille bare et par bånd ad gangen.

I 2014, Sinitskii var banebrydende for en tilgang, der kunne masseproducere nano-bånd i en flydende opløsning, et vigtigt skridt i retning af at opskalere teknologien til elektroniske applikationer. Men filmene lavet af disse nanobånd var ikke ledende nok til at udføre elektriske målinger. Teamets nyeste undersøgelse tilpassede den oprindelige kemiske tilgang ved at tilføje benzenringe-cirkulære molekyler med seks atomer af både kulstof og brint-på hver side af et første generations nano-bånd. Disse ringe udvidede båndet, reducere dets båndgab og øge dets evne til at lede elektricitet.

"Folk tænker ikke ofte på grafen-nanobånd som et sensormateriale, "Sagde Sinitskii." Men den samme (egenskab), der gør nanobåndene gode til enheder som transistorer-evnen til at ændre deres ledningsevne med flere størrelsesordener-er også det, der gør dem gode til sensorer.

"Det er muligt at designe mange forskellige slags grafen-nanobånd med meget forskellige egenskaber. Kun få typer er blevet demonstreret eksperimentelt indtil nu, men der er mange interessante teoretiske forudsigelser om bånd, der endnu ikke skal syntetiseres af kemikere. Så det er meget sandsynligt, at nye nanobånd med endnu bedre sensorkarakteristika eller andre spændende egenskaber vil blive udviklet i den nærmeste fremtid. "