Negli Stati Uniti., più di 100 richiami di alimenti sono stati emessi nel 2017 a causa della contaminazione da batteri nocivi come Listeria , Salmonella o E. coli . Un nuovo design del sensore potrebbe un giorno rendere più facile il rilevamento degli agenti patogeni negli alimenti prima che i prodotti arrivino sugli scaffali dei supermercati, prevenendo così malattie a volte mortali da cibo contaminato.

Nel diario Materiali ottici Express , i ricercatori segnalano un nuovo design per un sensore in grado di rilevare contemporaneamente più sostanze, inclusi batteri pericolosi e altri agenti patogeni. Oltre alla sicurezza alimentare, il nuovo design potrebbe migliorare il rilevamento di gas e sostanze chimiche per un'ampia gamma di altre applicazioni.

"Il nostro design si basa su fogli di grafene, che sono cristalli bidimensionali di carbonio dello spessore di un solo atomo, ", ha affermato il membro del team di ricerca Bing-Gang Xiao, dalla China Jiliang University. "Il sensore non è solo altamente sensibile, ma può anche essere facilmente regolato per rilevare diverse sostanze".

Rilevamento con grafene

Le eccellenti proprietà ottiche ed elettroniche del grafene lo rendono attraente per i sensori che utilizzano onde elettromagnetiche note come plasmoni che si propagano lungo la superficie di un materiale conduttore in risposta all'esposizione alla luce. Una sostanza può essere rilevata misurando come cambia l'indice di rifrazione del sensore quando una sostanza di interesse è vicina alla superficie del grafene.

Negli ultimi anni i ricercatori hanno sfruttato le proprietà uniche del grafene per creare sensori e materiali per una vasta gamma di applicazioni. Rispetto a metalli come oro e argento, il grafene mostra onde plasmoniche più forti con distanze di propagazione più lunghe. Inoltre, la lunghezza d'onda alla quale il grafene risponde può essere modificata applicando una tensione di polarizzazione invece di ricreare l'intero dispositivo. Però, pochi precedenti sforzi di ricerca hanno dimostrato sensori di grafene sensibili che funzionano con le lunghezze d'onda infrarosse necessarie per rilevare batteri e biomolecole.

Per il nuovo sensore, i ricercatori hanno utilizzato calcoli teorici e simulazioni per progettare una serie di dischi di grafene su nanoscala che contengono ciascuno un foro decentrato. Il sensore include strati di gel di ioni e silicio che possono essere utilizzati per applicare una tensione per regolare le proprietà del grafene per il rilevamento di varie sostanze.

L'interazione tra i dischi e i loro fori crea quello che è noto come effetto di ibridazione plasmonica, che aumenta la sensibilità del dispositivo. Il foro e il disco creano anche diversi picchi di lunghezza d'onda che possono essere utilizzati ciascuno per rilevare la presenza di diverse sostanze contemporaneamente.

Le simulazioni eseguite dai ricercatori utilizzando lunghezze d'onda del medio infrarosso hanno mostrato che la loro nuova piattaforma di sensori sarebbe più sensibile alle sostanze presenti nei gas, liquidi o solidi rispetto all'utilizzo di dischi senza fori.

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare il processo che verrebbe utilizzato per realizzare la serie di dischi su scala nanometrica. La precisione con cui vengono fabbricate queste strutture influirà notevolmente sulle prestazioni del sensore.

"Vogliamo anche esplorare se l'effetto di ibridazione del plasmone del grafene possa essere utilizzato per aiutare la progettazione di dispositivi di comunicazione ottica nel medio infrarosso a doppia banda, " disse Xiao.