MXene-materiale kunne forbedre sensorer, der snuser

Sensorer, der opsnuser kemikalier i luften for at advare os om alt fra brande til kulilte til spritbilister til eksplosive anordninger gemt i bagagen, er blevet så forbedret, at de endda kan opdage sygdomme i en persons ånde. Forskere fra Drexel University og Korea Advanced Institute of Science and Technology har gjort en opdagelse, der kan gøre vores bedste "kemiske næser" endnu mere følsomme.

I forskning, for nylig offentliggjort i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano , holdet beskriver, hvordan en todimensionel, metallisk materiale kaldet MXene kan bruges som en meget følsom detektor for gasformige kemikalier. Papiret foreslår, at MXene kan opsamle kemikalier, såsom ammoniak og acetone, som er indikatorer for mavesår og diabetes, i meget lavere spor end sensorer, der i øjeblikket anvendes i medicinsk diagnostik.

"MXene er en af ​​de mest følsomme gassensorer, der nogensinde er rapporteret. Denne forskning er vigtig, fordi den udvider rækkevidden for detektion af almindelige gasser, hvilket giver os mulighed for at detektere meget lave koncentrationer, som vi ikke var i stand til at detektere før, " sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach Professor i Drexel's College of Engineering, som var en ledende Drexel-forfatter af undersøgelsen. "Enhedens høje følsomhed kan bruges til at detektere giftige gasser eller forurenende stoffer, der findes i vores miljø."

Gogotsis Nanomaterials Research Group, fra Drexels Department of Materials Science and Engineering, sammen med Hee-Tae Jung, Ph.D., professor ved KAIST i Daejeon, Sydkorea for at udforske de gasfølende egenskaber af titaniumcarbid MXene. Nøglen til dens fremragende duft-sleuthing-egenskaber er, at MXene både er stærkt ledende og gennemgår en målbar ændring af elektrisk ledningsevne i nærværelse af det kemikalie, det er designet til at detektere - og kun når det pågældende kemikalie er til stede.

Denne dømmekraft kaldes "signal-til-støj"-forhold i verden af ​​kemiske sensorer, og den bruges til at rangere kvaliteten af ​​sensorer - målet er at opfange mere signal og mindre støj. Dem, der bruges i dag - for det meste i medicinske omgivelser for at detektere kemikalier som acetone, ethanol og propanol, eller i åndedrætsværn til at detektere alkohol-have et signal-til-støj-forhold mellem 3-10, MXene's er mellem 170 og 350, afhængigt af kemikaliet.

"Hvis materialet kan reagere på gasser ved at give et stærkt signal, samtidig med at den er ledende og opnår lav elektrisk støj, sensoren kan detektere gasser ved meget lave koncentrationer, fordi signal-støjforholdet er højt-dette er klart tilfældet med MXene, " sagde Gogotsi. "MXene kan detektere gasser i intervallet 50-100 dele pr. milliard, som er under den koncentration, der er nødvendig for nuværende sensorer til at detektere diabetes og en række andre sundhedsmæssige forhold. "

Dette niveau af følsomhed kan være ekstremt vigtigt for påvisning af sygdom. Ud over mavesår og diabetes, åndedrætsanalyse er i øjeblikket ved at blive udviklet til tidlig diagnosticering af flere typer kræft, skrumpelever, multipel sklerose og nyresygdom. Hvis de kemiske indikatorer for disse sygdomme kan ses i lavere koncentrationer, er de mere tilbøjelige til at blive diagnosticeret og behandlet på tidligere stadier.

MXene's fordel i forhold til konventionelle sensormaterialer ligger i dens porøse struktur og kemiske sammensætning. Materialet er godt både til at tillade gasmolekyler at bevæge sig hen over dets overflade og til at hænge sammen, eller adsorberende, visse, der er kemisk tiltrukket af det, viser god selektivitet.

Gogotsis team har udforsket MXenes siden materialets opdagelse ved Drexel i 2011. Gruppen har været i stand til at skabe og studere mere end to dusin forskellige kemiske sammensætninger for materialet, hvilket betyder, at de kan bruges til at skabe sensorer til en meget bred vifte af gasser.

I fremtiden, Gogotsi foreslår, MXene-sensorer kan spille en vigtig rolle i miljøovervågning, energihøst og -lagring, samt sundhedsvæsenet.

"Det næste skridt til at fremme denne forskning vil være at udvikle sensorfølsomhed over for forskellige typer gasser og forbedre detektionsselektiviteten mellem forskellige gasser, " sagde Gogotsi. "Vi kan også forestille os personlige sensorer, der vil være i vores smartphones eller fitness-trackere, overvågning af kropsfunktioner og miljøet, mens vi arbejder, søvn eller træning, tilgængelig med et fingertryk. Forbedring af detektionsfølsomheden med nye materialer er det første skridt mod at gøre disse enheder til en realitet."