Appuntare nastri di carbonio delle dimensioni del DNA a un sensore di gas può aumentare la sua sensibilità molto meglio di qualsiasi altro materiale di carbonio noto, afferma un nuovo studio dell'Università del Nebraska-Lincoln.

Il team ha sviluppato una nuova forma di nano-nastro a base di grafene, un nido d'ape bidimensionale di atomi di carbonio. Quando i ricercatori hanno integrato una pellicola dei nano-nastri nel circuito di un sensore di gas, ha risposto alle molecole con una sensibilità circa 100 volte maggiore rispetto ai sensori dotati anche dei materiali a base di carbonio più performanti.

"In precedenza abbiamo studiato sensori basati su altri materiali a base di carbonio come grafene e ossido di grafene, " ha detto Alexander Sinitskii, professore associato di chimica al Nebraska. "Nel caso dei nano-nastri di grafene, eravamo certi che avremmo visto una risposta del sensore, ma non ci aspettavamo che sarebbe stato molto più alto di qualsiasi cosa abbiamo visto in passato."

Riportare i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno dimostrato che le molecole di gas possono alterare drasticamente la resistenza elettrica dei film di nano-nastri. Gas diversi hanno prodotto diverse firme di resistenza, permettendo al sensore di distinguerli.

"Con più sensori su un chip, siamo stati in grado di dimostrare che possiamo differenziare tra molecole che hanno quasi la stessa natura chimica, " disse Sinitskii, un membro del Nebraska Center for Materials and Nanoscience. "Per esempio, possiamo distinguere metanolo ed etanolo. Quindi questi sensori basati su nano-nastri di grafene possono essere non solo sensibili ma anche selettivi".

Sinitskii ei suoi colleghi sospettano che le notevoli prestazioni dei nano-nastri derivino in parte da un'insolita interazione tra i nastri e le molecole di gas. A differenza dei suoi predecessori, i nano-nastri del team, che assomigliano a file ordinate delle strisce della maglietta di Charlie Brown, stanno in verticale invece di essere distesi su una superficie. Il team ha proposto che le molecole di gas possano allontanare queste file l'una dall'altra, allungando efficacemente gli spazi tra i nano-nastri che gli elettroni devono saltare per condurre elettricità.

Inserisci l'anello (benzenico)

Grafene, la cui scoperta nel 2004 alla fine ha guadagnato un premio Nobel, vanta una conduttività elettrica senza pari. Ma la mancanza di una banda proibita del materiale – che richiede agli elettroni di guadagnare energia prima di saltare dalle loro orbite vicine attorno agli atomi a una “banda di conduzione” esterna che guida la conduttività – inizialmente ha impedito ai ricercatori di disattivare quella conduttività. Questo, a sua volta, ha posto sfide all'applicazione del grafene nell'elettronica che richiedono la regolazione della conduttività del materiale a piacimento.

Una potenziale soluzione prevedeva il taglio di fogli di grafene fino a ottenere nastri nanoscopici che le simulazioni al computer suggerivano avrebbero posseduto l'inafferrabile banda proibita. Questo si è rivelato difficile da fare con la precisione atomica necessaria per preservare le proprietà che hanno reso il grafene attraente in primo luogo, così i ricercatori hanno iniziato a fabbricare nastri dal basso verso l'alto agganciando strategicamente insieme le molecole su alcuni tipi di superfici solide. Sebbene il processo abbia funzionato - e i nastri risultanti avessero un intervallo di banda - ha limitato i ricercatori a fabbricare solo pochi nastri alla volta.

Nel 2014, Sinitskii ha aperto la strada a un approccio che potrebbe produrre in serie nano-nastri in una soluzione liquida, un passo fondamentale verso il potenziamento della tecnologia per le applicazioni elettroniche. Ma i film realizzati con questi nano-nastri non erano abbastanza conduttivi per eseguire misurazioni elettriche. L'ultimo studio del team ha adattato l'approccio chimico originale aggiungendo anelli di benzene – molecole circolari con sei atomi sia di carbonio che di idrogeno – su entrambi i lati di un nano-nastro di prima generazione. Questi anelli allargarono il nastro, riducendo il suo band gap e migliorando la sua capacità di condurre elettricità.

"La gente non pensa spesso ai nano-nastri di grafene come materiale per sensori, "Sinitskii ha detto. "Tuttavia, la stessa (proprietà) che rende i nano-nastri buoni per dispositivi come i transistor - la capacità di cambiare la loro conduttività di diversi ordini di grandezza - è anche ciò che li rende buoni per i sensori.

"È possibile progettare molti diversi tipi di nano-nastri di grafene con proprietà molto diverse. Finora sono stati dimostrati sperimentalmente solo pochi tipi, ma ci sono molte interessanti affermazioni teoriche sui nastri che devono ancora essere sintetizzate dai chimici. Quindi è molto probabile che nel prossimo futuro verranno sviluppati nuovi nano-nastri con caratteristiche del sensore ancora migliori o altre proprietà interessanti".