Una nuova comprensione dei nanomateriali, gli approcci alla progettazione e alla fabbricazione dei sensori potrebbero aiutare a far progredire l'elasticità, sensori di gas indossabili che monitorano biomarcatori gassosi nell'uomo e gas tossici in un ambiente esposto, secondo i ricercatori della Penn State.

Guidato da Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professore per lo sviluppo della carriera presso il Dipartimento di Ingegneria e Meccanica della Penn State, il team di ricerca ha recentemente pubblicato una revisione dello stato attuale dei sensori estensibili di rilevamento del gas in Tendenze nella chimica analitica .

I recenti sviluppi nelle tecnologie di rilevamento dei gas hanno reso possibile rilevare i biomarcatori gassosi negli esseri umani monitorando il processo metabolico attraverso l'espirazione o il sudore della pelle e rilevando gas nocivi o tossici nell'ambiente circostante. I movimenti umani che allungano significativamente la pelle possono degradare o deformare i sensori, rendendolo incapace di rilevare i gas con precisione. Per creare un sensore più resistente, Cheng e il suo team hanno studiato i metodi di fabbricazione dei sensori più efficaci che potrebbero funzionare per una varietà di applicazioni.

"Con i recenti sviluppi nell'analisi del respiro, stiamo iniziando a dare slancio allo sviluppo di un sensore di gas che potrebbe avere una piattaforma di applicazioni più ampia, " Ha detto Cheng.

Secondo Cheng, i sensori di gas possono aiutare a fornire una diagnosi medica precoce rilevando i composti organici volatili (COV) dal respiro umano, che possono indicare la presenza di diverse malattie, compresa la dissenteria amebica, infezioni batteriche intestinali e cancro. I sensori precedenti potevano solo monitorare i livelli di glucosio e pH.

"Dal sudore della pelle umana e dal respiro esalato, ne abbiamo circa 2, 600 biomarcatori sotto forma di gas, " Ha detto Cheng. "Questo ci fornisce informazioni vitali che possiamo sfruttare nello sviluppo della diagnostica delle malattie".

Oltre a monitorare questi biomarcatori, i sensori possono rilevare livelli pericolosi di gas tossici che possono essere presenti nell'ambiente circostante di un essere umano. Per esempio, i sensori potrebbero rilevare livelli pericolosi di metano nelle miniere di carbone e potenzialmente monitorare la salute e la sicurezza dei minatori.

Gli attuali sensori di gas presentano caratteristiche simili alle versioni che il team sta studiando, ma hanno dei difetti, secondo Cheng. Per esempio, i sensori di gas a base di ossido metallico hanno temperature di esercizio elevate, rendendoli troppo caldi per essere indossati dalle persone. Migliorando il modo in cui vengono fabbricati gli attuali sensori di gas, Cheng ha detto che prevede di sviluppare un sensore di gas più affidabile e più sicuro.

I ricercatori sono specificamente interessati a una nuova piattaforma che integri direttamente il grafene indotto dal laser (LIG) tramite un semplice processo di tracciatura laser. Secondo Cheng, questo è un modo conveniente per sviluppare un approccio più sensibile, sensore più selettivo in grado di rilevare rapidamente VOC e gas nocivi a livelli ultra bassi.

LIG è altamente poroso e può essere integrato con nanomateriali a base di carbonio o ossido metallico, che sono molto sensibili ai gas. La piattaforma di Cheng è costituita da laser LIG inciso su un film che viene trasferito su un substrato morbido e rivestito con metallo conduttivo per ridurne la resistenza. A causa della ridotta resistenza creata con questo metodo, il sensore può facilmente indurre l'autoriscaldamento. L'ossido di metallo misto integrato con la nuova piattaforma di rilevamento del gas LIG rende le sue temperature lavorabili significativamente inferiori rispetto al precedente sensore di gas a base di ossido di metallo.

Cheng e i suoi colleghi stanno anche studiando come le forme dei materiali compositi che comprendono wearable, i sensori di gas estensibili possono influenzare le loro prestazioni di rilevamento ambientale.

"Sebbene sia stata applicata una varietà di nanomateriali per i sensori di gas estensibili, esiste ancora un'ampia gamma di nanomateriali sensibili al gas comunemente usati nei sensori di gas rigidi che non vengono esplorati nelle loro controparti estensibili, " Cheng ha detto. "Siamo molto interessati ad esplorare questi nuovi nanomateriali per fornire una selettività distinta, alta sensibilità, risposte rapide e ampi limiti di rilevamento per una nuova classe di sensori di gas estensibili."