Un team internazionale di scienziati guidati dal National Physical Laboratory (NPL) ha eseguito nuove misurazioni della risposta elettrica del grafene all'aria sintetica, esponendo una netta lacuna di conoscenza che deve essere colmata prima della commercializzazione di sensori di gas a base di grafene.

La rilevazione precoce dei gas è fondamentale in molti campi, compresa la tutela dell'ambiente, diagnosi medica e difesa nazionale. Grafene, il 'materiale meraviglioso' costituito da uno strato bidimensionale di atomi di carbonio, ha attirato molta attenzione per le sue potenziali applicazioni di rilevamento del gas.

Quando la superficie del grafene è esposta a determinate sostanze chimiche, quelle sostanze chimiche donano o prelevano elettroni dal grafene, provocando una variazione della resistività elettrica. Il grafene è incredibilmente sensibile a questo processo, infatti è così sensibile che anche una sola molecola di biossido di azoto può provocare un cambiamento misurabile. Un sensore di gas a base di grafene utilizzerebbe questi cambiamenti elettrici per rilevare la sostanza chimica bersaglio.

Però, Non è così semplice. I sensori di gas devono essere esposti all'ambiente per rilevare le specie bersaglio, ma il grafene è sensibile a una così ampia varietà di sostanze chimiche che la sua resistività elettrica cambia significativamente nella sola aria ambiente. Ciò rende difficile distinguere tra i cambiamenti causati dal gas target e quelli causati dall'ambiente naturale.

In un nuovo studio, un gruppo di scienziati dell'NPL, La Chalmers University of Technology e il US Naval Research Laboratory hanno utilizzato una nuova tecnica per esaminare gli effetti dell'aria ambiente sul grafene in un ambiente controllato al fine di caratterizzarne la risposta.

I ricercatori hanno studiato gli effetti dell'azoto, ossigeno, vapore acqueo e biossido di azoto (in concentrazioni tipicamente presenti nell'aria ambiente) su grafene epitassiale all'interno di una camera ambientale controllata. Tutte le misurazioni sono state effettuate presso l'NPL applicando la microscopia a forza della sonda Kelvin e contemporaneamente eseguendo misurazioni di trasporto (resistenza). Questa nuova combinazione ha dato ai ricercatori la capacità unica di collegare insieme le proprietà elettroniche locali e globali, un compito che si è rivelato difficile in passato.

Lo studio, pubblicato in Materiali 2D, ha dimostrato sperimentalmente che la combinazione di gas utilizzata non replica pienamente gli effetti dell'aria ambiente; anche a concentrazioni superiori a quelle riscontrabili nell'atmosfera tipica, c'è una grande differenza nella risposta del grafene. Questo risultato contraddice la letteratura passata, che ha principalmente attribuito a questi gas i cambiamenti nelle proprietà elettroniche del grafene. E solleva la domanda:"Quali sostanze chimiche misteriose stanno causando questa risposta significativa?"

È chiaro che, mentre i sensori di gas a base di grafene hanno un grande potenziale, c'è ancora molta ricerca da fare. È necessaria un'ulteriore esplorazione per trovare il collegamento mancante tra gli effetti osservati nei laboratori controllati e gli effetti osservati nell'aria ambiente. I ricercatori sono anche interessati a studiare metodi per ottimizzare i dispositivi restringendo la sensibilità a specifiche specie bersaglio, come la funzionalizzazione chimica.