I sensori che fiutano le sostanze chimiche nell'aria per avvisarci di tutto, dagli incendi al monossido di carbonio, ai conducenti ubriachi, agli ordigni esplosivi nascosti nei bagagli, sono migliorati così tanto che possono persino rilevare malattie nell'alito di una persona. I ricercatori della Drexel University e del Korea Advanced Institute of Science and Technology hanno fatto una scoperta che potrebbe rendere i nostri migliori "nasi chimici" ancora più sensibili.

Nella ricerca, recentemente pubblicato sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano , il team descrive come un bidimensionale, materiale metallico chiamato MXene può essere utilizzato come rivelatore altamente sensibile di sostanze chimiche gassose. Il documento suggerisce che MXene può raccogliere sostanze chimiche, come ammoniaca e acetone, che sono indicatori di ulcere e diabete, in tracce molto inferiori rispetto ai sensori attualmente utilizzati nella diagnostica medica.

"MXene è uno dei sensori di gas più sensibili mai riportati. Questa ricerca è significativa perché amplia la gamma di rilevamento dei gas comuni consentendoci di rilevare concentrazioni molto basse che non eravamo in grado di rilevare prima, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e Bach Professor al Drexel's College of Engineering, che era uno dei principali autori dello studio Drexel. "L'elevata sensibilità del dispositivo può essere utilizzata per rilevare gas tossici o inquinanti presenti nel nostro ambiente".

Il gruppo di ricerca sui nanomateriali di Gogotsi, dal Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Drexel, in coppia con Hee-Tae Jung, dottorato di ricerca, un professore al KAIST di Daejeon, Corea del Sud per esplorare le proprietà di rilevamento del gas del carburo di titanio MXene. La chiave delle sue eccellenti capacità di rilevamento degli odori è che MXene è altamente conduttivo e subisce un cambiamento misurabile della conduttività elettrica in presenza della sostanza chimica che è progettata per rilevare, e solo quando quella particolare sostanza chimica è presente.

Questo discernimento è chiamato rapporto "segnale-rumore" nel mondo dei sensori chimici e viene utilizzato per classificare la qualità dei sensori:l'obiettivo è raccogliere più segnale e meno rumore. Quelli in uso oggi, principalmente in ambito medico per rilevare sostanze chimiche come l'acetone, etanolo e propanolo, o negli etilometri per rilevare l'alcol:avere un rapporto segnale-rumore compreso tra 3-10, MXene è compreso tra 170 e 350, a seconda della sostanza chimica.

"Se il materiale può rispondere ai gas dando un segnale forte, pur essendo allo stesso tempo conduttivo e ottenendo un basso rumore elettrico, il sensore può rilevare gas a concentrazioni molto basse perché il rapporto segnale-rumore è elevato, questo è chiaramente il caso di MXene, " Ha detto Gogotsi. "MXene può rilevare gas nell'intervallo 50-100 parti per miliardo, che è al di sotto della concentrazione necessaria affinché i sensori attuali rilevino il diabete e una serie di altre condizioni di salute".

Questo livello di sensibilità potrebbe essere estremamente importante per il rilevamento della malattia. Oltre alle ulcere e al diabete, l'analisi del respiro è attualmente in fase di sviluppo per la diagnosi precoce di molteplici tipi di cancro, cirrosi, sclerosi multipla e malattie renali. Se gli indicatori chimici per queste malattie possono essere individuati in concentrazioni inferiori, è più probabile che vengano diagnosticati e trattati nelle fasi precedenti.

Il vantaggio di MXene rispetto ai materiali dei sensori convenzionali risiede nella sua struttura porosa e nella composizione chimica. Il materiale è bravo sia a consentire alle molecole di gas di muoversi sulla sua superficie sia a impigliarsi, o adsorbente, alcuni che ne sono attratti chimicamente, mostrando una buona selettività.

Il team di Gogotsi ha esplorato gli MXenes dalla scoperta del materiale a Drexel nel 2011. Il gruppo è stato in grado di creare e studiare più di due dozzine di diverse composizioni chimiche per il materiale, il che significa che potrebbero essere utilizzati per creare sensori per un'ampia varietà di gas.

Nel futuro, Gogotsi suggerisce, I sensori MXene potrebbero svolgere un ruolo importante nel monitoraggio ambientale, raccolta e stoccaggio di energia, così come l'assistenza sanitaria.

"Il prossimo passo per far progredire questa ricerca sarà sviluppare la sensibilità del sensore a diversi tipi di gas e migliorare la selettività di rilevamento tra diversi gas, " ha detto Gogotsi. "Possiamo anche immaginare sensori personali che saranno nei nostri smartphone o fitness tracker, monitorare le funzioni corporee e l'ambiente mentre lavoriamo, dormire o fare esercizio, accessibile con un tocco di dito. Migliorare la sensibilità di rilevamento con nuovi materiali è il primo passo verso la realizzazione di questi dispositivi".