Il naso umano può distinguere tra un trilione di diverse combinazioni di odori. Comunque, ci sono molti gas che il nostro naso non può rilevare al livello di sensibilità di cui abbiamo bisogno. È qui che entrano in gioco i sensori gassosi. Mentre alcuni dei primi sensori erano animali, come i canarini nelle miniere di carbone, da allora li abbiamo sostituiti con tecnologie in grado di rilevare minuscole quantità di sostanze chimiche nell'aria.

Proprio come i nostri nasi, i sensori di gas sono essenziali per la sicurezza e il comfort. Nelle fabbriche, i sensori di gas possono avvisare i gestori di perdite chimiche o processi che non funzionano correttamente. Al di fuori, misurano gli inquinanti, aiutare le città a monitorare la qualità dell'aria. Nelle case, tengono al sicuro i membri della famiglia. I gestori degli edifici utilizzano le misurazioni dei sensori di umidità e temperatura per massimizzare l'efficienza energetica.

Questi sensori non esisterebbero senza una conoscenza fondamentale della chimica e della fisica. Questa conoscenza di base aiuta gli scienziati a capire come e perché i materiali di rilevamento interagiscono con le sostanze chimiche gassose. Molti materiali all'avanguardia promettono l'uso nei sensori, se solo gli scienziati potessero imparare a produrli e controllarli meglio.

"I sensori sono il luogo in cui la ricerca sui materiali incontra il rilevamento ambientale, " ha detto Peter Beckman, un ricercatore presso l'Argonne National Laboratory (ANL) del Dipartimento di Energia.

Per gettare le basi per l'innovazione, il DOE Office of Science finanzia progetti e strutture per gli utenti che supportano la ricerca sui sensori.

Creare i materiali per il rilevamento

come nasi, i sensori si basano su una combinazione di componenti per rilevare e dare un senso a gas o sostanze chimiche nell'aria. Negli umani, le molecole galleggiano nel naso e si legano a neuroni speciali. I neuroni poi passano il messaggio al cervello. Nei sensori, il materiale all'interno del sensore funge da neurone. Quando quel materiale interagisce con una sostanza chimica nell'aria, può emettere luce, modificare la sua capacità di condurre elettricità, o cambiare forma. I materiali e l'elettronica intorno al materiale sensibile comunicano quel messaggio al "cervello, "se quel cervello è un computer o un segnale di avvertimento come una sirena.

Lo sviluppo del sistema nervoso e del cervello dei sensori è un lavoro per la scienza applicata. La ricerca fondamentale come il lavoro nei laboratori dell'Office of Science pone le basi per quella scienza applicata. In particolare, questa ricerca sta ampliando la comprensione da parte degli scienziati dei materiali stessi e di come produrli.

Tre tipi di materiali all'avanguardia offrono un enorme potenziale per l'uso nei sensori:nanoparticelle, materiali bidimensionali (2-D), e strutture metallo-organiche (MOF). Le nanoparticelle sono minuscole particelle più grandi degli atomi, ma agiscono in modo fondamentalmente diverso dalle particelle più grandi della stessa sostanza. materiali 2-D, come il grafene, formano fogli dello spessore di un solo atomo. I MOF sono composti costituiti da ioni metallici collegati tra loro da connettori a base di carbonio.

Tutti questi materiali hanno superfici enormi rispetto alle loro dimensioni complessive. Poiché molte molecole di gas possono interagire con le loro superfici, possono essere sensibili a piccole quantità di sostanze chimiche. Inoltre, gli scienziati possono trasformare tutti questi materiali in una varietà di strutture. Questa personalizzazione potrebbe consentire ai ricercatori di creare materiali speciali per rilevare una particolare sostanza chimica.

Nanoparticelle di solfuro di zinco

La chiave per costruire un sensore migliore potrebbe risiedere nel realizzare il suo materiale di rilevamento con nanoparticelle. Sfortunatamente, è difficile produrre alcune delle nanoparticelle più promettenti. I sensori per idrogeno e altri gas utilizzano già il materiale solfuro di zinco. La produzione di solfuro di zinco in forma di nanoparticelle potrebbe renderlo più economico ed efficace. Ma l'attuale processo per la produzione di nanoparticelle di solfuro di zinco comporta temperature molto elevate, pressioni, e sostanze chimiche tossiche.

Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE hanno studiato un metodo più economico, processo di produzione di nanoparticelle più efficiente. I ricercatori supportati sia dall'Advanced Manufacturing Office che dall'Office of Science del DOE hanno scoperto che i microbi possono offrire un percorso alternativo.

Non solo qualsiasi batterio lo farà. Gli scienziati hanno utilizzato Thermoanaerobacter, un batterio che vive normalmente in luoghi estremamente caldi senza ossigeno. Dopo aver aggiunto uno zucchero a buon mercato e prodotti chimici che includevano zinco e zolfo, i batteri hanno prodotto circa tre quarti di libbra di nanoparticelle di solfuro di zinco. Il processo era più economico del 90% rispetto ai metodi attuali.

Materiali 2D in crescita

I materiali bidimensionali sono una forma speciale di nanomateriale con uno spessore di pochi atomi. Hanno così tanta superficie rispetto al loro volume che forniscono molto spazio per far interagire le molecole di gas e sono in grado di contenerne un gran numero. Ma i materiali 2-D agiscono in modo così diverso dalle loro normali controparti "sfuse" che gli scienziati non hanno una buona conoscenza di come crescono. Senza questa comprensione, i produttori non possono produrre costantemente versioni di alta qualità di essi.

Per affrontare questo problema, Gli scienziati dell'ORNL hanno esplorato un modo migliore per coltivare il seleniuro di gallio (GaSe) materiale 2-D. Mentre coltivavano il materiale in un contenitore pieno di gas argon, hanno scoperto che modificando la temperatura e il flusso del gas, potevano passare avanti e indietro tra la deposizione e la rimozione degli atomi. Ma solo scoprire come cambiare avanti e indietro tra i due stati non ha detto loro cosa stava realmente accadendo a livello chimico.

"Per visualizzare cosa stavamo facendo in laboratorio, avevamo bisogno di alta risoluzione, strutture all'avanguardia e strumenti di diagnosi in loco, " ha detto Tolga Aytug, uno scienziato dell'ORNL. Per ottenere quel livello di precisione, il team si è rivolto al Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura per gli utenti dell'Office of Science presso l'ORNL. Gli strumenti lì li hanno aiutati a vedere come i processi che hanno usato per far crescere il materiale hanno influenzato la sua struttura e le sue proprietà. Sulla base di tali informazioni, hanno affinato i loro metodi per ottenere le caratteristiche che volevano.

Nel futuro, gli scienziati potrebbero essere in grado di combinare vari materiali 2-D in sottili, sensori versatili. "La bellezza dei materiali 2-D è che puoi impilare i diversi strati insieme per creare del materiale artificiale, "ha detto Kai Xiao, uno scienziato dell'ORNL. Questi materiali artificiali sarebbero in grado di rilevare una varietà di sostanze chimiche diverse invece di una sola.

Strutture metallo-organiche

Gli ioni metallici e i connettori a base di carbonio dei MOF si formano aperti, strutture a gabbia. Un MOF largo solo pochi pollici ha un'incredibile superficie di 2,5 acri. Ciò fornisce molto spazio con cui le molecole possono interagire.

Di conseguenza, I MOF possono rilevare livelli minimi di sostanze chimiche. Gli scienziati controllano quali sostanze chimiche vogliono che un MOF rilevi modificando le dimensioni dei suoi spazi, la sua forma, o come le sue parti si collegano tra loro.

"Per far funzionare un sensore basato su MOF, deve essere molto selettivo e molto sensibile, " disse Praveen Thallapally, uno scienziato presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE.

Un vantaggio specifico dei MOF è la loro capacità di accogliere nuove molecole modificando le loro strutture. Gli scienziati del PNNL hanno scoperto che un MOF con una base di zinco potrebbe catturare cobalto e rame. Quando questi metalli sono usciti dalla molecola, il MOF è tornato alla sua struttura originale. Ciò significa che dopo che una sostanza chimica si attacca a un MOF e attiva un sensore, qualcuno potrebbe resettare e riutilizzare il sensore senza dover sostituire il MOF.

Gran parte della ricerca in corso sui MOF si concentra su come scoprirli e costruirli. I materiali di partenza tradizionali dei MOF sono rigidi e difficili da lavorare. In contrasto, i polimeri (catene flessibili di molecole) sono più facili da controllare. Però, di solito si raggruppano in densi, grumi disorganizzati. Per sfruttare i vantaggi di ciascuno, scienziati dell'Università della California, San Diego ha trovato un modo per utilizzare i polimeri per costruire MOF. L'utilizzo di entrambi consente ai ricercatori di combinare la consistenza dei MOF e l'ampia superficie con la facilità d'uso dei polimeri. I ricercatori hanno utilizzato i materiali ibridi per creare film sottili, che sono tipicamente utilizzati nei sensori.

Il prossimo passo avanti nella ricerca MOF potrebbe venire dalla modellazione al computer. L'uso di tentativi ed errori per capire quale struttura interagirà meglio con una specifica sostanza chimica potrebbe richiedere anni ed essere molto costoso. In contrasto, potenti modelli di computer che utilizzano l'apprendimento automatico consentono agli scienziati di trovare il materiale giusto in pochi giorni.

Gli scienziati del PNNL alla ricerca di un MOF in grado di selezionare tra xeno e krypton hanno collaborato con il National Energy Research Scientific Computing Center, una struttura per gli utenti dell'Office of Science presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE. Dopo aver cercato tra più di 120, 000 opzioni, il loro modello al computer indicava un materiale a base di calcio che eccelleva in questo compito.

Collegare il naso al corpo

Un ottimo materiale sensibile è essenziale, ma non funzionerà da solo. Proprio come un naso ha bisogno di un corpo e di un cervello, i materiali di rilevamento devono essere parte di un meccanismo più ampio. Sfortunatamente, far funzionare insieme questi materiali all'interno di un sensore è spesso una sfida.

Stampa di inchiostro a nanoparticelle

"Inchiostro" composto da nanoparticelle sensoriali stampate su carta, plastica, gomma, o il tessuto potrebbe consentire agli ingegneri di creare sensori più piccoli e più flessibili.

"Fare particelle è una cosa. Ma da quelle particelle, realizzare un inchiostro funzionale non è banale, " ha detto lo scienziato dell'ORNL Pooran Joshi, in un leggero eufemismo.

Uno studio ORNL ha affrontato il modo migliore per trasformare le nanoparticelle a base di rame in inchiostro di alta qualità. Illuminando una luce ad alta intensità solo per pochi milionesimi di secondo, gli scienziati hanno fuso insieme le nanoparticelle senza fondere la superficie sottostante. Quando l'inchiostro di nanoparticelle a base di rame si è fuso insieme, ha creato una superficie stampata. I ricercatori hanno quindi utilizzato la superficie stampata come componente di un sensore di temperatura.

Combinazione di nanotubi e nanocristalli

Gli scienziati sanno che i sensori fatti di nanotubi e nanocristalli potrebbero rilevare anche una parte per milione di gas, se solo riuscissero a far funzionare insieme questi due materiali.

Ralu Divan e il suo team all'ANL hanno scoperto un modo per aggiungere nanocristalli di ossido di zinco, che è già utilizzato nei sensori, ai nanotubi di carbonio. I sensori che li utilizzano insieme potrebbero essere molto più sensibili al metano rispetto alla tecnologia attuale. Posizionando i nanocristalli di ossido di zinco atomo per atomo, hanno creato un sottile, strato coerente sopra i nanotubi. Con questo processo, le aziende possono controllare con precisione lo spessore e la copertura dell'ossido di zinco.

Per esaminare i legami tra i nanocristalli e i nanotubi, il team si è affidato al Center for Nanoscale Materials, una struttura per gli utenti dell'Office of Science presso l'ANL. "Avere tutto in un unico posto ha permesso di risparmiare molto tempo e siamo stati in grado di muoverci più velocemente di quanto ci aspettassimo, " disse Divano.

Di conseguenza, hanno sviluppato un sensore in grado di rilevare concentrazioni di metano molto più basse rispetto ai precedenti. Gli operatori possono riutilizzarlo in pochi secondi invece di minuti o ore.

Questo sensore è migliorato così tanto sulla tecnologia esistente che nel 2016, R&D 100 Magazine lo ha riconosciuto come finalista di R&D 100. Il team di ricerca sta ora lavorando con il progetto Array of Things, una collaborazione tra l'Università di Chicago e l'ANL. Nell'ambito dello sforzo di raccogliere dati in tempo reale da centinaia di sensori in tutta Chicago, il team di Array of Things prevede di utilizzare questi sensori di metano in futuro.

Progetti come Array of Things hanno il potenziale per trasformare le città in reti di sensori, posizionare occhi e nasi digitali in tutto il paesaggio costruito. Ma queste reti e tecnologie non sarebbero possibili senza una solida base scientifica. Niente può eguagliare la versatilità del naso umano, ma la ricerca che l'Office of Science sta supportando aiuta a colmare le lacune delle nostre capacità biologiche.