La produzione di sensori altamente sensibili è un processo complesso:richiede molti passaggi e l'ambiente quasi privo di polvere di speciali camere bianche. Un team di ricerca della Scienza dei materiali dell'Università di Kiel (CAU) e dell'Ingegneria biomedica dell'Università tecnica della Moldova ha ora sviluppato una procedura per produrre sensori estremamente sensibili ed efficienti dal punto di vista energetico utilizzando la stampa 3D. Il metodo di produzione semplice ed economico è adatto anche per la produzione industriale, il team ha recentemente spiegato nella rinomata rivista specializzata Nano energia . Il loro sensore che qui presentano, è in grado di misurare con precisione la concentrazione di vapore di acetone utilizzando una speciale strutturazione a livello nano. Poiché la concentrazione di acetone nel respiro è correlata ai livelli di zucchero nel sangue, il team di ricerca spera di aver fatto un passo avanti verso la produzione di un test del respiro per i diabetici che potrebbe sostituire il controllo quotidiano dei loro livelli di zucchero nel sangue con le punture del dito.

La superficie più ampia rende il sensore più sensibile

La speciale superficie dei nuovi sensori è visibile al microscopio elettronico ad alta risoluzione:molecole di gas come l'acetone si impigliano particolarmente facilmente in un groviglio di nanofili di circa 20 nanometri di diametro. I nano-fili/picchi aumentano le dimensioni della superficie del sensore e creano così il suo alto livello di sensibilità. "Per realizzare questa struttura speciale riscaldiamo semplici microparticelle di metallo fino a quando su di esse si formano numerosi sottili nanofili e nanopunte. Con un inchiostro appositamente sviluppato possiamo applicare queste particelle con precisione a varie superfici utilizzando una stampante 3D, " ha detto Leonard Siebert, spiegando ciò che è noto come "Scrittura a inchiostro diretto". In qualità di ricercatore di dottorato nel gruppo di lavoro sui nanomateriali funzionali presso la CAU, sta ricercando tecnologie di produzione additiva come la stampa 3D, tra l'altro.

Procedura sfaccettata per acetone e altri gas

Grazie al loro speciale concetto di sensore, il processo di stampa 3D automatizzato presentato nello studio può essere eseguito nell'aria ambiente normale. In questo modo, vengono creati più sensori contemporaneamente in pochi minuti, qualcosa che impiegava un paio d'ore nelle camere bianche. Il materiale di partenza può anche essere variato in maniera mirata, modificando dimensioni e struttura e consentendo il rilevamento di un determinato gas. "Questo è ancora, innanzitutto, ricerca di base, ma questo principio potrebbe essere utilizzato in futuro per sviluppare sensori per l'idrogeno o altri gas esplosivi e pericolosi, "Professore Rainer Adelung, capo del gruppo di lavoro dell'Università di Kiel, è convinto.

Le particelle metalliche come materiale di partenza per i sensori devono essere di una certa dimensione per formare i fili speciali e i nanospikes. "Il corretto rapporto elevato tra superficie e volume è fondamentale, " ha spiegato il dott. Oleg Lupan dell'ingegneria biomedica presso l'Università tecnica della Moldova. In qualità di borsista Humboldt, ha studiato questo processo per sei mesi come parte del gruppo di lavoro a Kiel. Ciò che è vantaggioso per la sensibilità dei sensori si rivela una sfida quando si tratta della loro produzione:mentre le particelle più piccole possono essere applicate facilmente alle superfici utilizzando tecniche consolidate come sistemi di spruzzatura o evaporazione sotto vuoto, le microparticelle utilizzate qui sono già troppo grandi per questo. "Per questa ragione, abbiamo considerato l'uso di stampanti 3D per applicare le microparticelle, " ha affermato lo scienziato dei materiali Siebert. "La conoscenza dei materiali e dei dispositivi dei colleghi dell'Università tecnica della Moldova e la nostra esperienza nei nanomateriali e nella stampa 3D si completano perfettamente qui".

L'efficienza energetica consente le applicazioni mobili

Quando le molecole organiche incontrano i numerosi fili nel sensore finito, reagiscono fortemente l'uno all'altro. Facendo così, modificano la resistenza del sensore e rilasciano segnali chiaramente misurabili. In linea di principio, però, solo un piccolissimo volume di elettricità passa attraverso i fili sottili. "Quindi i nostri sensori utilizzano solo pochissima energia, " ha spiegato Lupan. "Questo rende concepibili piccoli dispositivi di misurazione portatili, pure, che può essere letto direttamente tramite smartphone, Per esempio."

I ricercatori sperano che ciò possa consentire l'uso futuro dei sensori nei dispositivi mobili, test del respiro portatili per diabetici. Invece di controllare i livelli di zucchero nel sangue con una puntura del dito più volte al giorno, i diabetici potrebbero misurare il contenuto di acetone del loro respiro. Il prodotto metabolico si crea quando manca l'insulina e viene emesso attraverso il respiro. I sensori altamente sensibili potrebbero determinare valori di acetone inferiori a 1 ppm (particelle per milione di molecole d'aria), riportato lo studio, mentre il respiro delle persone con diabete di tipo I o II ha un contenuto di acetone superiore a 2 ppm.