Un team di ricercatori della Tandon School of Engineering della New York University e del NYU Center for Neural Science ha risolto un enigma di lunga data su come costruire dispositivi ultrasensibili, sensori elettrochimici ultrapiccoli con proprietà omogenee e prevedibili scoprendo come ingegnerizzare la struttura del grafene a livello atomico.

I sensori elettrochimici finemente sintonizzati (noti anche come elettrodi) piccoli come cellule biologiche sono apprezzati per la diagnostica medica e i sistemi di monitoraggio ambientale. La domanda ha stimolato gli sforzi per sviluppare elettrodi a base di carbonio nanoingegnerizzati, che offrono elettronica senza pari, termico, e proprietà meccaniche. Eppure questi sforzi sono stati a lungo ostacolati dalla mancanza di principi quantitativi per guidare l'ingegneria precisa della sensibilità dell'elettrodo alle molecole biochimiche.

Davood Shahrjerdi, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla NYU Tandon, e Roozbeh Kiani, un assistente professore di scienze neurali e psicologia presso il Center for Neural Science, Facoltà di Lettere e Scienze, hanno rivelato la relazione tra vari difetti strutturali del grafene e la sensibilità degli elettrodi che ne fanno parte. Questa scoperta apre le porte all'ingegneria di precisione e alla produzione su scala industriale di matrici omogenee di elettrodi di grafene. I ricercatori dettagliano il loro studio in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Materiale avanzato .

Il grafene è un singolo, foglio di carbonio sottile come un atomo. C'è un consenso tradizionale sul fatto che i difetti strutturali nel grafene possono generalmente aumentare la sensibilità degli elettrodi costruiti da esso. Però, una solida comprensione della relazione tra i vari difetti strutturali e la sensibilità è sfuggita a lungo ai ricercatori. Questa informazione è particolarmente vitale per regolare la densità di diversi difetti nel grafene al fine di ottenere un livello di sensibilità desiderato.

"Fino ad ora, ottenere un effetto di sensibilità desiderato era simile al vudù o all'alchimia:spesso, non sapevamo perché un certo approccio producesse un elettrodo più o meno sensibile, "Ha detto Shahrjerdi. "Studiando sistematicamente l'influenza di vari tipi e densità di difetti del materiale sulla sensibilità dell'elettrodo, abbiamo creato un modello microscopico basato sulla fisica che sostituisce la superstizione con l'intuizione scientifica".

In una scoperta a sorpresa, i ricercatori hanno scoperto che solo un gruppo di difetti nella struttura del grafene, i difetti puntuali, ha un impatto significativo sulla sensibilità dell'elettrodo, che aumenta linearmente con la densità media di questi difetti, entro un certo intervallo. "Se ottimizziamo questi difetti puntuali in numero e densità, possiamo creare un elettrodo fino a 20 volte più sensibile degli elettrodi convenzionali, " ha spiegato Kiani.

Questi risultati avranno un impatto sia sulla fabbricazione che sulle applicazioni degli elettrodi a base di grafene. Gli odierni elettrodi a base di carbonio sono calibrati per la sensibilità post-fabbricazione, un processo dispendioso in termini di tempo che ostacola la produzione su larga scala, ma i risultati dei ricercatori consentiranno l'ingegneria precisa della sensibilità durante la sintesi del materiale, consentendo così la produzione su scala industriale di elettrodi a base di carbonio con una sensibilità affidabile e riproducibile.

Attualmente, gli elettrodi a base di carbonio non sono pratici per qualsiasi applicazione che richieda una fitta serie di sensori:i risultati sono inaffidabili a causa delle grandi variazioni della sensibilità da elettrodo a elettrodo all'interno dell'array. Queste nuove scoperte consentiranno l'uso di elettrodi a base di carbonio ultra-piccoli con sensibilità omogenee e straordinariamente elevate nelle sonde neurali di prossima generazione e piattaforme multiplex "lab-on-a-chip" per la diagnostica medica e lo sviluppo di farmaci, e possono sostituire i metodi ottici per misurare campioni biologici compreso il DNA.