Nanostruttura di ZnO a nido d'ape. Credito:Indian Institute of Science
I ricercatori dell'Indian Institute of Science (IISc) hanno sviluppato un approccio altamente sensibile, nanosensore a basso costo in grado di rilevare rapidamente variazioni minime nei livelli di monossido di carbonio (CO), con potenziali applicazioni nel monitoraggio dell'inquinamento ambientale.
Il team ha utilizzato una nuova tecnica di fabbricazione che esclude la litografia, un processo lungo e costoso, per costruire una nanostruttura a nido d'ape composta da ossido di zinco. Il sensore è stato in grado di rilevare una differenza nel livello di CO a partire da 500 parti per miliardo e rispondere selettivamente alla CO anche in presenza di altri gas. La tecnica non litografia riduce inoltre notevolmente i tempi ei costi necessari per la realizzazione di sensori di gas nanostrutturati.
Lo studio è stato condotto da Chandra Shekhar Prajapati, borsista postdottorato, e Navakanta Bhat, Presidente e Professore, Centro per la nanoscienza e l'ingegneria (CeNSE), IISc, insieme ai ricercatori del KTH Royal Institute of Technology, Svezia.
"La dimensione del sensore stesso è inferiore a 1 mm, " dice Bhat. "Se lo combini con il resto dell'elettronica di elaborazione del segnale e un piccolo display, non può essere più di un paio di cm. Questo può essere integrato con un telefono cellulare o un piccolo dispositivo ad ogni semaforo in grado di trasmettere i dati al tuo cellulare tramite Bluetooth."
I sensori CO convenzionali microlavorati hanno uno strato piatto di ossido di zinco, un semiconduttore di ossido di metallo, attraverso il quale scorre la corrente. Quando esposto a CO, la resistenza dello strato cambia, influenzando la quantità di corrente che scorre. Quanto cambia la resistenza può essere mappato a quanta CO c'è.
Disposizione esagonale di perline di polistirolo. Credito:Indian Institute of Science
La creazione di nanostrutture su ossido di zinco piatto migliora la sensibilità, all'aumentare dell'area disponibile per l'interazione del gas. Però, realizzare questi nanosensori utilizzando la litografia tradizionale, un'operazione che richiede tempo, processo a più fasi in cui le sagome in ossido di metallo sono incise su un materiale sensibile alla luce, richiede attrezzature sofisticate.
Anziché, i ricercatori hanno utilizzato minuscole perline di polistirene che si dispongono in uno strato ravvicinato quando vengono spalmate su una superficie di silicio ossidato. Quando si aggiunge ossido di zinco, si deposita negli spazi esagonali tra le perline. Quando le perline vengono poi "sollevate, " ciò che rimane è un nido d'ape 3-D di ossido di zinco, con una superficie molto più ampia disponibile per l'interazione del gas rispetto a una piastra piana.
La tecnica potrebbe costare molto meno dei metodi basati sulla litografia, dicono i ricercatori. "Puoi acquistare un pacchetto di queste perle di polistirene di dimensioni micron sul mercato per Rs. 4000-5000, che può essere utilizzato per creare nanostrutture su migliaia di sensori. Ciò si traduce in una significativa riduzione dei costi rispetto alle tradizionali tecniche basate sulla litografia per formare tali favi, " dice Prajapati. Inoltre, il processo richiede solo pochi minuti, mentre i metodi multifase basati sulla litografia possono richiedere alcune ore, Aggiunge.
Per applicazioni ambientali, i sensori di gas devono essere sia altamente sensibili (rilevare livelli molto bassi) che selettivi (rilevare un gas specifico in presenza di altri gas). I ricercatori hanno sviluppato sensori con larghezza variabile della parete a nido d'ape, e ha scoperto che quello con la larghezza più piccola (~100 nm) era in grado di rilevare un cambiamento anche di 500 parti per miliardo nella concentrazione di CO. Quando testato con una miscela di gas, il sensore ha anche mostrato una risposta nettamente maggiore per la CO.
Il metodo a base di polistirene può essere utilizzato per sviluppare nanostrutture a nido d'ape simili per altri ossidi metallici per rilevare altri gas, dicono i ricercatori. "Quello che abbiamo è una piattaforma generica. Puoi fare la stessa nano-strutturazione per diversi sensori a semiconduttore di ossido di metallo, "dice Bhat.
Bhat e il suo team hanno lavorato per diversi anni allo sviluppo di sensori in miniatura per il monitoraggio della qualità dell'aria. In precedenza avevano sviluppato una serie di sensori ibridi per rilevare contemporaneamente quattro diversi gas.
