Enkelt dråbe ethanol for at revolutionere fremstillingen af ​​nanosensorer

Ingeniører fra Macquarie University har udviklet en ny teknik til at gøre fremstillingen af ​​nanosensorer langt mindre kulstofintensiv, meget billigere, mere effektiv og mere alsidig, hvilket væsentligt forbedrer en nøgleproces i denne trillion-dollar globale industri.

Holdet har fundet en måde at behandle hver sensor ved hjælp af en enkelt dråbe ethanol i stedet for den konventionelle proces, der involverer opvarmning af materialer til høje temperaturer.

Deres forskning, offentliggjort i Advanced Functional Materials , har titlen "Kapillærdrevne selvsamlede mikroklynger til højtydende UV-detektorer."

"Nanosensorer består normalt af milliarder af nanopartikler aflejret på en lille sensoroverflade - men de fleste af disse sensorer virker ikke, når de først fremstilles," siger den tilsvarende forfatter lektor Noushin Nasiri, leder af Nanotech Laboratory ved Macquarie University's School of Engineering .

Nanopartiklerne samler sig selv i et netværk, der holdes sammen af ​​svage naturlige bindinger, som kan efterlade så mange huller mellem nanopartikler, at de ikke kan transmittere elektriske signaler, så sensoren vil ikke fungere.

Lektor Nasiris team afslørede opdagelsen, mens de arbejdede på at forbedre ultraviolet lyssensorer, nøgleteknologien bag Sunwatch, som fik Nasiri til at blive en 2023 Eureka-prisfinalist.

Nanosensorer har et enormt overflade-til-volumen-forhold, der består af lag af nanopartikler, hvilket gør dem meget følsomme over for det stof, de er designet til at opdage. Men de fleste nanosensorer virker ikke effektivt, før de opvarmes i en tidskrævende og energikrævende 12-timers proces, hvor der bruges høje temperaturer til at smelte lag af nanopartikler sammen, hvilket skaber kanaler, der tillader elektroner at passere gennem lag, så sensoren vil fungere.

"Ovnen ødelægger de fleste polymerbaserede sensorer, og nanosensorer, der indeholder bittesmå elektroder, som dem i en nanoelektronisk enhed, kan smelte. Mange materialer kan i øjeblikket ikke bruges til at lave sensorer, fordi de ikke kan modstå varme," siger lektor Nasiri. .

Den nye teknik, der er opdaget af Macquarie-teamet, omgår imidlertid denne varmeintensive proces, hvilket gør det muligt at fremstille nanosensorer af et meget bredere udvalg af materialer.

"At tilføje en dråbe ethanol på det følende lag uden at sætte det ind i ovnen, vil hjælpe atomerne på overfladen af ​​nanopartiklerne med at bevæge sig rundt, og mellemrummene mellem nanopartiklerne forsvinder, når partiklerne slutter sig til hinanden," siger lektor Nasiri. siger.

"Vi viste, at ethanol i høj grad forbedrede effektiviteten og reaktionsevnen af ​​vores sensorer, ud over hvad du ville få efter at have opvarmet dem i 12 timer."

Den nye metode blev opdaget, efter at undersøgelsens hovedforfatter, postgraduate studerende Jayden (Xiaohu) Chen, ved et uheld sprøjtede noget ethanol på en sensor, mens han vaskede en digel, i en hændelse, der normalt ville ødelægge disse følsomme enheder.

"Jeg troede, at sensoren var ødelagt, men indså senere, at prøven overgik alle andre prøver, vi nogensinde har lavet," siger Chen.

Lektor Nasiri siger, at ulykken måske har givet dem ideen, men metodens effektivitet afhang af omhyggeligt arbejde med at identificere den nøjagtige mængde ethanol, der blev brugt.

"Da Jayden fandt dette resultat, gik vi meget omhyggeligt tilbage og prøvede forskellige mængder ethanol. Han testede igen og igen for at finde, hvad der virkede," siger hun.

"Det var ligesom Guldlok – tre mikroliter var for lidt og gjorde intet effektivt, 10 mikroliter var for meget og tørrede det følende lag ud, fem mikroliter var det helt rigtige!"

Holdet har patenter under behandling for opdagelsen, som har potentialet til at gøre et meget stort sprøjt i nanosensorverdenen.

"Vi har udviklet en opskrift på at få nanosensorer til at fungere, og vi har testet den med UV-lyssensorer, og også med nanosensorer, der registrerer kuldioxid, metan, brint og mere – effekten er den samme," siger lektor Nasiri.

"Efter en korrekt målt dråbe ethanol aktiveres sensoren på omkring et minut. Dette gør en langsom, meget energikrævende proces til noget langt mere effektivt."

Flere oplysninger: Xiaohu Chen et al., Kapillærdrevne selvsamlede mikroklynger til højtydende UV-fotodetektorer, Avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202302808

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Macquarie University