Innovativ sensor registrerer specifikt og præcist molekyler

Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) og Darmstadts tekniske universitet har udviklet en ny sensor til gasmolekyler ved at kombinere en grafentransistor med en tilpasset metal-organisk belægning. Den innovative sensor detekterer specifikt og præcist molekyler og repræsenterer prototypen på en helt ny klasse af sensorer. Den udviklede ethanolsensor reagerer hverken på andre alkoholer eller fugt. Resultaterne rapporteres i Avancerede materialer .

Sensorer er allestedsnærværende i køretøjer eller smartphones, forskningslaboratorier og industrianlæg. De fanger visse fysiske eller kemiske egenskaber, såsom tryk, stamme, eller gasmolekyler, og overføre data til behandling. Videreudvikling af sensorer, derfor, er af afgørende betydning for den teknologiske udvikling. Sensorer er kendetegnet ved deres selektivitet, dvs. deres evne til at opdage en bestemt egenskab i nærværelse af andre, potentielt forstyrrende egenskaber, såvel som ved deres følsomhed, dvs. deres evne til at måle selv lave værdier.

Forskere fra KIT og Technical University of Darmstadt er nu lykkedes med at udvikle en ny type sensor til molekyler i gasfasen. Forskerne rapporterer i Avancerede materialer at funktionsprincippet for denne nye klasse af sensorer er baseret på at kombinere følsomme grafentransistorer med tilpassede metal-organiske belægninger. Denne kombination muliggør selektiv påvisning af molekyler. Som en prototype, forfatterne præsenterer en specifik ethanolsensor. I modsætning til kommercielt tilgængelige sensorer, den reagerer hverken på alkohol eller fugt.

Grafen er en modifikation af kulstof med en todimensionel struktur. Af natur, det er meget følsomt over for fremmede molekyler, der binder sig til overfladen. "Imidlertid, grafen udviser ikke nogen molekylespecifik interaktion, der er nødvendig for brug som sensor, " siger Ralph Krupke. Krupke er professor ved Institute of Nanotechnology (INT) i KIT og Institute of Materials Science ved TU Darmstadt. Sammen med professor Wolfgang Wenzel (også INT) og professor Christof Wöll, som leder KIT's Institute of Functional Interfaces (IFG), han ledede undersøgelsen. Første forfatter er Sundeep Kumar, der forsker på Ralph Krupkes laboratorium på KIT og arbejder på sin doktorgrad inden for området molekylære nanostrukturer ved Institut for Materialevidenskab ved TU Darmstadt. "For at nå den nødvendige selektivitet, vi har fået en metal-organisk ramme til at vokse på overfladen, " forklarer Krupke.

Sensorer kan justeres præcist

Metal-organiske rammer (MOF'er) består af metalliske noder og organiske molekyler som forbindelsesstænger. Ved at vælge forskellige kombinationer, disse meget porøse krystallinske materialer kan skræddersyes til forskellige applikationer for at opnå en selektiv absorptionskapacitet for visse molekyler, for eksempel. Forskerne fra Karlsruhe og Darmstadt præsenterede en selektiv sensorplatform ved at dyrke en overflademonteret metal-organisk ramme (SURMOF) direkte på en grafen-felteffekttransistor (GFET). En sådan komponent drager fordel af den høje følsomhed og enkle udlæsning af en GFET samt fra den høje selektivitet af en SURMOF.

"Kombination af grafens unikke elektroniske egenskaber med den høje kemiske variabilitet af MOF'er åbner et stort potentiale, " siger Christof Wöll. Da forskellige slags SURMOF'er kan fremstilles, og kemiske design af grænsefladen mellem GFET og SURMOF kan variere, forskernes arbejde åbner op for en helt ny klasse af sensorer med en specifikt tilpasset selektivitet og følsomhed. "Her, simulering hjælper, Wolfgang Wenzel siger, "da vi kan oprette mange MOF'er på computeren uden at skulle syntetisere dem."