I ricercatori hanno scoperto un modo per creare un sensore chimico altamente sensibile basato sui difetti cristallini nei fogli di grafene. Le imperfezioni hanno proprietà elettroniche uniche che i ricercatori sono stati in grado di sfruttare per aumentare di 300 volte la sensibilità alle molecole di gas assorbite.

Lo studio è disponibile online prima della stampa in Comunicazioni sulla natura .

Amin Salehi-Khojin, professore associato di ingegneria meccanica e industriale in laboratorio con Mohammad Asadi, studente laureato e Bijandra Kumar, post doc dove stanno facendo ricerche sui sensori di grafene. Foto:Roberta Dupuis-Devlin/UIC Servizi fotografici

Quando si forma un reticolo o un foglio di grafene, la sua struttura policristallina ha confini casuali tra i grani di cristallo singolo. Le proprietà del reticolo sono significativamente influenzate da questi "confini dei grani, " disse Amin Salehi-Khojin, Professore assistente UIC di ingegneria meccanica e industriale e ricercatore principale dello studio.

In molte applicazioni, i bordi dei grani sono considerati difetti perché disperdono gli elettroni e possono indebolire il reticolo. Ma Salehi-Khojin e i suoi colleghi hanno dimostrato che queste imperfezioni sono importanti per il funzionamento dei sensori di gas a base di grafene. Hanno creato un micron di dimensioni, confine del grano di grafene individuale per sondare le sue proprietà elettroniche e studiarne il ruolo nel rilevamento del gas.

La loro prima scoperta fu che le molecole di gas sono attratte dal bordo del grano e si accumulano lì, piuttosto che sul cristallo di grafene, rendendolo il punto ideale per il rilevamento di molecole di gas. Le proprietà elettriche di un confine di grano attraggono le molecole sulla sua superficie.

Un gruppo di chimica teorica all'UIC, guidato da Petr Kral, è stato in grado di spiegare questa attrazione e le proprietà elettroniche aggiuntive del confine di grano. La natura irregolare del bordo del grano produce centinaia di gap di trasporto di elettroni con diverse sensibilità.

"È come se avessimo più switch in parallelo, ", ha detto lo studente laureato Poya Yasaei, primo autore sulla carta. "Le molecole di gas si accumulano sul bordo del grano; c'è un trasferimento di carica; e, perché questi canali sono tutti paralleli tra loro, tutti i canali si aprono o si chiudono bruscamente. Vediamo una risposta molto forte".

I ricercatori hanno cercato di sviluppare un sensore altamente sensibile e robusto per decenni, ha detto il borsista postdottorato UIC Bijandra Kumar, un coautore sulla carta.

"Possiamo sintetizzare questi bordi di grano su scala micrometrica in modo controllato, " ha detto Kumar. "Possiamo facilmente fabbricare array di sensori su scala di chip utilizzando questi confini di grano per l'uso nel mondo reale".

Salehi-Khojin ha affermato che dovrebbe essere possibile "sintonizzare" le proprietà elettroniche degli array di bordi dei grani di grafene utilizzando il doping controllato per ottenere una risposta dell'impronta digitale, creando così un "naso elettronico" affidabile e stabile.

Con la forte attrazione del bordo grano per le molecole di gas e la risposta straordinariamente acuta a qualsiasi trasferimento di carica, un simile naso elettronico potrebbe essere in grado di rilevare anche una singola molecola di gas, Salehi-Khojin crede, e sarebbe un sensore ideale.