L'ultima ricerca di un ingegnere chimico della Kansas State University può aiutare a migliorare i sensori di umidità e pressione, in particolare quelli utilizzati nello spazio esterno.

Vikas Berry, William H. Honstead professore di ingegneria chimica, e il suo team di ricerca stanno utilizzando punti quantici di grafene per migliorare i dispositivi di rilevamento in un duplice progetto. La prima parte prevede la produzione dei punti quantici di grafene, che sono pezzi ultrapiccoli di grafene. Il grafene è un foglio spesso di atomi di carbonio con un singolo atomo e ha un potere elettrico superiore, proprietà meccaniche e ottiche. La seconda parte del progetto prevede l'incorporazione di questi punti quantici in dispositivi di rilevamento basati sul tunneling elettronico.

Per creare i punti quantici di grafene, i ricercatori hanno utilizzato il taglio su scala nanometrica della grafite per produrre nanonastri di grafene. T.S. Sreeprasad, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Berry, ha tagliato chimicamente questi nastri in dimensioni laterali di 100 nanometri.

Gli scienziati hanno assemblato i punti quantici in una rete su una microfibra igroscopica attaccata agli elettrodi sui due lati. Hanno posizionato i punti quantici assemblati a meno di un nanometro di distanza in modo che non fossero completamente collegati. L'assemblaggio dei punti è simile alla struttura della pannocchia:i chicchi di mais sono punti quantici su scala nanometrica e la pannocchia è la microfibra.

Diversi ricercatori, tra cui quattro ex studenti del 2012 in ingegneria chimica:Augustus Graham, Alfredo A. Rodriguez, Jonathan Colston e Evgeniy Shishkin—hanno applicato un potenziale attraverso la fibra e hanno controllato la distanza tra i punti quantici regolando l'umidità locale, che cambia la corrente che scorre attraverso i punti.

"Se riduci l'umidità intorno a questo dispositivo, l'acqua trattenuta da questa fibra si perde, " disse Berry. "Di conseguenza, la fibra si restringe e le componenti grafeniche che risiedono sopra si avvicinano l'una all'altra in scala nanometrica. Ciò aumenta il trasporto di elettroni da un punto all'altro. Solo leggendo le correnti si può dire l'umidità nell'ambiente."

La riduzione della distanza tra i punti quantici di grafene di 0,35 nanometri ha aumentato la conduttività del dispositivo di 43 volte, ha detto la bacca. Per di più, perché l'aria contiene acqua, la riduzione della pressione dell'aria ha diminuito il suo contenuto di acqua e ha fatto sì che i punti quantici di grafene si avvicinassero, che ha aumentato la conduttività. La meccanica quantistica suggerisce che gli elettroni hanno una probabilità finita di passare da un elettrodo a un elettrodo non connesso, ha detto la bacca. Questa probabilità è inversamente ed esponenzialmente proporzionale alla distanza di tunneling, o lo spazio tra gli elettrodi.

La ricerca ha numerose applicazioni, in particolare nel miglioramento dei sensori di umidità, pressione o temperatura.

"Questi dispositivi sono unici perché, a differenza della maggior parte dei sensori di umidità, questi sono più reattivi nel vuoto, " disse Berry. "Per esempio, questi dispositivi possono essere incorporati nelle navette spaziali, dove sono richieste misurazioni di bassa umidità. Questi sensori potrebbero anche essere in grado di rilevare tracce di acqua su Marte, che ha 1/100 della pressione atmosferica terrestre. Questo perché il dispositivo misura l'umidità con una risoluzione molto più alta nel vuoto."

Mentre il cuore del dispositivo è la modulazione del tunneling elettronico, la risposta del dispositivo avviene attraverso la microfibra polimerica, ha detto la bacca. Il suo team sta anche cercando di cambiare il polimero per trovare altre applicazioni per questa ricerca.

"Se sostituisci questo polimero con un polimero che risponde ad altri stimoli, puoi fare un diverso tipo di sensore, " Berry ha detto. "Immagino che questo progetto abbia un ampio impatto sul rilevamento".

La ricerca è supportata dal quinquennio di Berry, $ 400, 000 Premio alla CARRIERA della National Science Foundation. I risultati della ricerca appaiono in un recente numero della rivista Nano lettere in un articolo intitolato "Electron-tunneling modulation in percolating-network of grafene quantum dots:fabrication, comprensione fenomenologica, e applicazioni di rilevamento di umidità/pressione."

Il team di ricerca di Berry sta anche studiando macchine molecolari interfacciate con il grafene. In questo lavoro, i ricercatori sono in grado di azionare meccanicamente le molecole, che subiscono un cambiamento nel campo elettrico intorno a loro e influenzano la densità di portatori del grafene interfacciato. Questo lavoro apparirà in un prossimo numero della rivista Piccolo in un articolo intitolato "Funzionalizzazione covalente di molecole modulanti dipolo su grafene a tre strati:una strada per macchine molecolari interfacciate con grafene".

I ricercatori hanno scoperto che il grafene risponde in modo sensibile al movimento molecolare. Phong Nguyen, uno studente di dottorato in ingegneria chimica e autore principale dell'opera, molecole di attivazione legate al grafene e misurato la risposta del dispositivo.

"La prossima fase della scienza oltre la nanotecnologia sarà la tecnologia molecolare, " ha detto Berry. "Stiamo lavorando allo sviluppo di percorsi per incorporare macchine molecolari nei dispositivi".