(PhysOrg.com) -- Un nuovo studio del Rensselaer Polytechnic Institute dimostra come la schiuma di grafene può superare le prestazioni dei principali sensori di gas commerciali nel rilevamento di sostanze chimiche potenzialmente pericolose ed esplosive. La scoperta apre le porte a una nuova generazione di sensori di gas da utilizzare dagli artificieri, le forze dell'ordine, organizzazioni di difesa, e in vari ambienti industriali.

Il nuovo sensore ha misurato con successo e ripetutamente l'ammoniaca (NH3) e il biossido di azoto (NO2) a concentrazioni di appena 20 parti per milione. Realizzato con nanofogli di grafene continui che crescono in una struttura simile a schiuma delle dimensioni di un francobollo e dello spessore del feltro, il sensore è flessibile, robusto, e infine supera le carenze che hanno impedito ai rilevatori di gas basati su nanostrutture di raggiungere il mercato.

I risultati dello studio sono stati pubblicati oggi sulla rivista Rapporti scientifici , pubblicato da Nature Publishing Group. Guarda il giornale, intitolato "Rilevazione di gas ad alta sensibilità utilizzando una rete di schiuma di grafene tridimensionale macroscopica".

“Siamo molto entusiasti di questa nuova scoperta, che pensiamo potrebbe portare a nuovi sensori di gas commerciali, ", ha affermato il professore di ingegneria Rensselaer Nikhil Koratkar, che ha co-diretto lo studio insieme al professor Hui-Ming Cheng presso il Laboratorio nazionale di Shenyang per la scienza dei materiali presso l'Accademia cinese delle scienze. “Finora, i sensori hanno dimostrato di essere significativamente più sensibili nel rilevare l'ammoniaca e il biossido di azoto a temperatura ambiente rispetto ai rilevatori di gas commerciali presenti oggi sul mercato.

Negli ultimi dieci anni i ricercatori hanno dimostrato che le singole nanostrutture sono estremamente sensibili alle sostanze chimiche e ai diversi gas. Per costruire e far funzionare un dispositivo utilizzando una singola nanostruttura per il rilevamento di gas, però, si è rivelato troppo complesso, caro, e inaffidabile per essere commercialmente redditizio, disse Koratkar. Tale sforzo comporterebbe la creazione e la manipolazione della posizione della singola nanostruttura, individuarlo usando la microscopia, usando la litografia per applicare i contatti dorati, seguito da altri lenti, passaggi costosi. Incorporato all'interno di un dispositivo portatile, una tale singola nanostruttura può essere facilmente danneggiata e resa inutilizzabile. Inoltre, può essere difficile "pulire" il gas rilevato dalla singola nanostruttura.

La nuova struttura delle dimensioni di un francobollo sviluppata da Koratkar ha tutte le stesse proprietà attraenti di una singola nanostruttura, ma è molto più facile da lavorare a causa della sua grande, dimensione su macroscala. I collaboratori di Koratkar presso l'Accademia cinese delle scienze hanno coltivato il grafene su una struttura di schiuma di nichel. Dopo aver rimosso la schiuma di nichel, quello che resta è un grande, rete autoportante di grafene simile alla schiuma. Essenzialmente un singolo strato della grafite che si trova comunemente nelle nostre matite o il carboncino che bruciamo sui nostri barbecue, il grafene è un foglio dello spessore di un atomo di atomi di carbonio disposti come un recinto di rete metallica su nanoscala. Le pareti del sensore di grafene simile a schiuma sono costituite da fogli di grafene continui senza interruzioni fisiche o interfacce tra i fogli.

Koartkar e i suoi studenti hanno sviluppato l'idea di utilizzare questa struttura in schiuma di grafene come rilevatore di gas. Come risultato dell'esposizione della schiuma di grafene ad aria contaminata da tracce di ammoniaca o biossido di azoto, i ricercatori hanno scoperto che le particelle di gas si bloccavano, o adsorbito, alla superficie della schiuma. Questo cambiamento nella chimica della superficie ha un impatto distinto sulla resistenza elettrica del grafene. La misurazione di questa variazione di resistenza è il meccanismo mediante il quale il sensore può rilevare diversi gas.

Inoltre, il rilevatore di gas in schiuma di grafene è molto comodo da pulire. Applicando una corrente di ~100 milliampere attraverso la struttura del grafene, Il team di Koratkar è stato in grado di riscaldare la schiuma di grafene abbastanza da staccarla, o desorbire, tutte le particelle di gas adsorbite. Questo meccanismo di pulizia non ha alcun impatto sulla capacità della schiuma di grafene di rilevare i gas, il che significa che il processo di rilevamento è completamente reversibile e un dispositivo basato su questa nuova tecnologia sarebbe a bassa potenza, senza bisogno di riscaldatori esterni per pulire la schiuma, e riutilizzabile.

Koratkar ha scelto l'ammoniaca come gas di prova per dimostrare il proof-of-concept di questo nuovo rivelatore. Il nitrato di ammonio è presente in molti esplosivi ed è noto che si decompone gradualmente e rilascia tracce di ammoniaca. Di conseguenza, rilevatori di ammoniaca sono spesso utilizzati per verificare la presenza di un esplosivo. Un gas tossico, l'ammoniaca viene anche utilizzata in una varietà di processi industriali e medici, per i quali sono necessari rilevatori per il monitoraggio delle perdite.

I risultati dello studio mostrano che la nuova struttura della schiuma di grafene ha rilevato l'ammoniaca a 1, 000 parti per milione in 5-10 minuti a temperatura ambiente e pressione atmosferica. Il cambiamento di accompagnamento nella resistenza elettrica del grafene era di circa il 30 percento. Ciò è stato confrontato favorevolmente con i sensori polimerici conduttori disponibili in commercio, che subiscono un cambiamento di resistenza del 30 percento in 5-10 minuti se esposti a 10, 000 parti per milione di ammoniaca. Nello stesso arco di tempo e con lo stesso cambiamento di resistenza, il rilevatore di schiuma di grafene era 10 volte più sensibile. La sensibilità del rilevatore di schiuma di grafene è efficace fino a 20 parti per milione, molto inferiore ai dispositivi disponibili in commercio. Inoltre, molti dei dispositivi disponibili in commercio richiedono un elevato consumo energetico poiché forniscono una sensibilità adeguata solo alle alte temperature, mentre il rilevatore di schiuma di grafene funziona a temperatura ambiente.

Il team di Koratkar ha utilizzato il biossido di azoto come secondo gas di prova. Diversi esplosivi, inclusa la nitrocellulosa, si degradano gradualmente, e sono noti per produrre biossido di azoto come sottoprodotto. Di conseguenza, il biossido di azoto viene utilizzato anche come marcatore durante i test per gli esplosivi. Inoltre, il biossido di azoto è un inquinante comune che si trova nella combustione e nelle emissioni delle auto. Molti diversi sistemi di monitoraggio ambientale sono dotati di rilevamento del biossido di azoto in tempo reale.

Il nuovo sensore in schiuma di grafene ha rilevato il biossido di azoto a 100 parti per milione con una variazione di resistenza del 10% in 5-10 minuti a temperatura ambiente e pressione atmosferica. Ha dimostrato di essere 10 volte più sensibile dei sensori polimerici conduttori commerciali, che tipicamente rilevano il biossido di azoto a 1, 000 parti per milione nello stesso tempo e con la stessa possibilità di resistenza a temperatura ambiente. Altri rilevatori di biossido di azoto oggi disponibili richiedono un elevato consumo energetico e temperature elevate per fornire una sensibilità adeguata. Il sensore in schiuma di grafene può rilevare il biossido di azoto fino a 20 parti per milione a temperatura ambiente.

“Vediamo questo come il primo pratico rilevatore di gas basato su nanostrutture utilizzabile per la commercializzazione, disse Koratkar, professore presso il Dipartimento di Meccanica, Aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer. "I nostri risultati mostrano che la schiuma di grafene è in grado di rilevare ammoniaca e biossido di azoto a una concentrazione di un ordine di grandezza inferiore rispetto ai rilevatori di gas commerciali sul mercato oggi".

La schiuma di grafene può essere progettata per rilevare molti gas diversi oltre all'ammoniaca e al biossido di azoto, Egli ha detto.

Gli studi hanno dimostrato la conduttività elettrica di un singolo nanotubo, nanofilo, o il foglio di grafene è estremamente sensibile all'assorbimento di gas. Ma le piccole dimensioni delle singole nanostrutture hanno reso costoso e difficile lo sviluppo di un dispositivo, inoltre le strutture sono delicate e spesso non danno risultati coerenti.

Il nuovo sensore di gas in schiuma di grafene supera queste sfide. È facile da maneggiare e manipolare a causa della sua grande, dimensione su macroscala. Il sensore è anche flessibile, robusto, e abbastanza robusto da sopportare l'usura all'interno di un dispositivo. Inoltre è completamente reversibile, e i risultati che fornisce sono coerenti e ripetibili. Più importante, la schiuma di grafene è altamente sensibile, grazie al suo 3-D, struttura porosa che consente ai gas di adsorbirsi facilmente alla sua enorme superficie. Nonostante le sue grandi dimensioni, la struttura della schiuma di grafene funziona essenzialmente come una singola nanostruttura. Non ci sono interruzioni nella rete del grafene, il che significa che non ci sono interfacce da superare, e gli elettroni scorrono liberamente con poca resistenza. Ciò aumenta la sensibilità della schiuma ai gas.

“In un certo senso abbiamo superato il tallone d'Achille della nanotecnologia per il rilevamento chimico, disse Koratkar. “Una singola nanostruttura funziona alla grande, ma non significa molto se applicato in un dispositivo reale nel mondo reale. Quando provi a ridimensionarlo fino a proporzioni macroscala, le interfacce vanificano ciò che stai cercando di realizzare, poiché le proprietà della nanostruttura sono dominate dalle interfacce. Ora siamo in grado di aumentare il grafene in modo che le interfacce non siano presenti. Questo ci permette di sfruttare le proprietà intrinseche della nanostruttura, ma lavoriamo con una struttura macroscopica che ci dia ripetibilità, affidabilità, e robustezza, ma mostra una sensibilità simile all'assorbimento di gas come una singola nanostruttura.