I sensori di gas ultrasensibili basati sull'infusione di atomi di boro nel grafene, una matrice di atomi di carbonio strettamente legati, potrebbero presto essere possibili, secondo un team internazionale di ricercatori provenienti da sei paesi.

Il grafene è noto per la sua notevole forza e capacità di trasportare elettroni ad alta velocità, ma è anche un sensore di gas altamente sensibile. Con l'aggiunta di atomi di boro, i sensori di boro grafene sono stati in grado di rilevare molecole di gas nocivi a concentrazioni estremamente basse, parti per miliardo nel caso degli ossidi di azoto e parti per milione per l'ammoniaca, i due gas testati fino ad oggi. Questo si traduce in una sensibilità 27 volte maggiore agli ossidi di azoto e 10, Sensibilità all'ammoniaca 000 volte maggiore rispetto al grafene incontaminato. I ricercatori ritengono che questi risultati, riportato oggi (2 novembre) nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , aprirà la strada a sensori ad alte prestazioni in grado di rilevare tracce di molte altre molecole.

"Questo è un progetto che portiamo avanti da quattro anni, " disse Mauricio Terrones, professore di fisica, chimica e scienza dei materiali alla Penn State. "In precedenza eravamo in grado di drogare il grafene con atomi di azoto, ma il boro si è rivelato molto più difficile. Una volta che siamo stati in grado di sintetizzare quello che credevamo essere boro grafene, abbiamo collaborato con esperti negli Stati Uniti e in tutto il mondo per confermare la nostra ricerca e testare le proprietà del nostro materiale."

Sia il boro che l'azoto si trovano accanto al carbonio sulla tavola periodica, rendendo possibile la loro sostituzione. Ma i composti di boro sono molto sensibili all'aria e si decompongono rapidamente se esposti all'atmosfera. Fogli di un centimetro quadrato sono stati sintetizzati a Penn State in un sistema di deposizione di vapore chimico assistito da gorgogliatore unico nel suo genere. Il risultato è stato di grande superficie, fogli di grafene drogato con boro di alta qualità.

Una volta fabbricato, i ricercatori hanno inviato campioni di boro grafene ai ricercatori dell'Honda Research Institute USA Inc., Colombo, Ohio, che hanno testato i campioni rispetto ai propri sensori di gas altamente sensibili. Il laboratorio di Konstantin Novoselov all'Università di Manchester, UK, studiato il meccanismo di trasporto dei sensori. Novoselov è stato il premio Nobel 2010 per la fisica. Collaboratori teorici negli Stati Uniti e in Belgio hanno abbinato le immagini della microscopia a scansione a effetto tunnel con le immagini sperimentali, ha confermato la presenza degli atomi di boro nel reticolo di grafene e il loro effetto quando interagiscono con molecole di ammoniaca o ossido di azoto. Hanno contribuito alla ricerca anche collaboratori in Giappone e Cina.

"Questa ricerca multidisciplinare apre una nuova strada per un'ulteriore esplorazione dei sensori di gas ultrasensibili, " ha detto Avetik Harutyunyan, capo scienziato e capo progetto presso l'Honda Research Institute USA Inc. "Il nostro approccio combina nuovi nanomateriali con radiazioni di luce ultravioletta continua nel design del sensore che sono stati sviluppati nel nostro laboratorio dal ricercatore capo Dr. Gugang Chen negli ultimi cinque anni. Riteniamo che l'ulteriore sviluppo di questa tecnologia potrebbe infrangere le parti per quadrilioni del limite di rilevamento, che è fino a sei ordini di grandezza migliore di sensibilità rispetto agli attuali sensori all'avanguardia".

Questi sensori possono essere utilizzati per laboratori e industrie che utilizzano ammoniaca, un rischio altamente corrosivo per la salute, o per rilevare gli ossidi di azoto, un pericoloso inquinante atmosferico emesso dai tubi di scappamento delle automobili. Oltre a rilevare gas tossici o infiammabili, lavoro teorico indica che il grafene drogato con boro potrebbe portare a migliori batterie agli ioni di litio e transistor ad effetto di campo, gli autori riferiscono.