Graphenes magi er i defekterne

Et team af forskere ved New York University Tandon School of Engineering og NYU Center for Neural Science har løst et mangeårigt puslespil om, hvordan man bygger ultrafølsomme, ultrasmå elektrokemiske sensorer med homogene og forudsigelige egenskaber ved at opdage, hvordan man konstruerer grafenstruktur på atomniveau.

Finjusterede elektrokemiske sensorer (også kaldet elektroder), der er så små som biologiske celler, er værdsat til medicinsk diagnostik og miljøovervågningssystemer. Efterspørgslen har ansporet bestræbelser på at udvikle nanoenginerede kulstofbaserede elektroder, som tilbyder uovertruffen elektronisk, termisk, og mekaniske egenskaber. Alligevel har disse bestræbelser længe været dæmpet af manglen på kvantitative principper for at guide den præcise konstruktion af elektrodefølsomheden over for biokemiske molekyler.

Davood Shahrjerdi, en assisterende professor i el- og computerteknik ved NYU Tandon, og Roozbeh Kiani, assisterende professor i neurovidenskab og psykologi ved Center for Neural Science, Det Naturvidenskabelige Fakultet, har afsløret forholdet mellem forskellige strukturelle defekter i grafen og følsomheden af ​​elektroderne, der er lavet af det. Denne opdagelse åbner døren for den præcise teknik og industriel produktion af homogene matriser af grafenelektroder. Forskerne beskriver deres undersøgelse i et papir, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Avancerede materialer .

Graphene er en single, atom-tynd plade af kulstof. Der er en traditionel konsensus om, at strukturelle defekter i grafen generelt kan øge følsomheden af ​​elektroder konstrueret af det. Imidlertid, en fast forståelse af forholdet mellem forskellige strukturelle defekter og følsomheden har længe unddraget forskere. Disse oplysninger er især afgørende for at indstille tætheden af ​​forskellige defekter i grafen for at opnå et ønsket følsomhedsniveau.

"Indtil nu, at opnå en ønsket følsomhedseffekt lignede voodoo eller alkymi - ofte, vi var ikke sikre på, hvorfor en bestemt tilgang gav en mere eller mindre følsom elektrode, "Sagde Shahrjerdi." Ved systematisk at studere indflydelsen af ​​forskellige typer og densiteter af materialefejl på elektrodenes følsomhed, vi skabte en fysikbaseret mikroskopisk model, der erstatter overtro med videnskabelig indsigt. "

I et overraskende fund, forskerne opdagede, at kun en gruppe defekter i grafens struktur - punktdefekter - i væsentlig grad påvirker elektrodefølsomheden, som stiger lineært med gennemsnitsdensiteten af ​​disse defekter, inden for et bestemt område. "Hvis vi optimerer disse punktdefekter i antal og tæthed, vi kan skabe en elektrode, der er op til 20 gange mere følsom end konventionelle elektroder, "Forklarede Kiani.

Disse fund påvirker både fremstilling og anvendelse af grafenbaserede elektroder. Dagens kulstofbaserede elektroder er kalibreret til følsomhed efter fremstilling, en tidskrævende proces, der hæmmer storproduktion, men forskernes fund vil muliggøre præcis konstruktion af følsomheden under materialesyntesen, derved muliggør produktion i industriel skala af kulstofbaserede elektroder med pålidelig og reproducerbar følsomhed.

I øjeblikket, carbonbaserede elektroder er upraktiske til enhver applikation, der kræver en tæt række sensorer:Resultaterne er upålidelige på grund af store variationer af elektrode-til-elektrode-følsomheden i arrayet. Disse nye fund vil muliggøre brug af ultra-små carbonbaserede elektroder med homogene og ekstraordinært høje følsomheder i næste generations neurale sonder og multiplexede "lab-on-a-chip" platforme til medicinsk diagnostik og lægemiddeludvikling, og de kan erstatte optiske metoder til måling af biologiske prøver, herunder DNA.