I ricercatori dell'Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT) e dell'Università tecnica di Darmstadt hanno sviluppato un nuovo sensore per le molecole di gas combinando un transistor al grafene con un rivestimento metallo-organico personalizzato. L'innovativo sensore rileva le molecole in modo specifico e preciso e rappresenta il prototipo di una classe di sensori completamente nuova. Il sensore di etanolo sviluppato non risponde né ad altri alcoli né all'umidità. I risultati sono riportati in Materiale avanzato .

I sensori sono onnipresenti nei veicoli o negli smartphone, laboratori di ricerca e impianti industriali. Catturano determinate proprietà fisiche o chimiche, come pressione, sforzo, o molecole di gas, e trasmettere i dati al trattamento. Ulteriore sviluppo di sensori, quindi, è di importanza decisiva per il progresso tecnologico. I sensori sono caratterizzati dalla loro selettività, ovvero la loro capacità di rilevare una determinata proprietà in presenza di altre, proprietà potenzialmente interferenti, oltre che per la loro sensibilità, ovvero la loro capacità di misurare anche valori bassi.

I ricercatori del KIT e dell'Università tecnica di Darmstadt sono ora riusciti a sviluppare un nuovo tipo di sensore per le molecole in fase gassosa. Gli scienziati riferiscono in Materiale avanzato che il principio di funzionamento di questa nuova classe di sensori si basa sulla combinazione di sensibili transistor in grafene con rivestimenti metallo-organici personalizzati. Questa combinazione consente il rilevamento selettivo delle molecole. Come prototipo, gli autori presentano un sensore di etanolo specifico. Contrariamente ai sensori disponibili in commercio, non risponde né agli alcoli né all'umidità.

Il grafene è una modifica del carbonio con una struttura bidimensionale. Dalla natura, è altamente sensibile alle molecole estranee che si attaccano alla superficie. "Però, il grafene non mostra alcuna interazione molecola-specifica necessaria per l'uso come sensore, " dice Ralph Krupke. Krupke è professore presso l'Istituto di nanotecnologia (INT) di KIT e l'Istituto di scienza dei materiali di TU Darmstadt. Insieme al professor Wolfgang Wenzel (anche INT) e al professor Christof Wöll, che dirige l'Istituto di Interfacce Funzionali (IFG) del KIT, ha diretto lo studio. Il primo autore è Sundeep Kumar, che conduce ricerche presso il laboratorio di Ralph Krupke al KIT e lavora al suo dottorato nell'area delle nanostrutture molecolari presso l'Institute of Materials Science di TU Darmstadt. "Per raggiungere la selettività richiesta, abbiamo fatto crescere in superficie una struttura metallo-organica, " spiega Krupke.

I sensori possono essere regolati con precisione

Le strutture metallo-organiche (MOF) sono costituite da nodi metallici e molecole organiche come bielle. Scegliendo varie combinazioni, questi materiali cristallini altamente porosi possono essere adattati a diverse applicazioni per raggiungere una capacità di assorbimento selettivo per determinate molecole, ad esempio. I ricercatori di Karlsruhe e Darmstadt hanno presentato una piattaforma di sensori selettivi coltivando una struttura metallo-organica montata in superficie (SURMOF) direttamente su un transistor ad effetto di campo al grafene (GFET). Tale componente beneficia dell'elevata sensibilità e della semplice lettura di un GFET nonché dell'elevata selettività di un SURMOF.

"La combinazione delle proprietà elettroniche uniche del grafene con l'elevata variabilità chimica dei MOF apre un grande potenziale, " dice Christof Wöll. Poiché possono essere prodotti vari tipi di SURMOF e i progetti chimici dell'interfaccia tra GFET e SURMOF possono variare, il lavoro dei ricercatori apre una classe completamente nuova di sensori con una selettività e una sensibilità specificamente regolate. "Qui, la simulazione aiuta, " dice Wolfgang Wenzel, "poiché possiamo creare molti MOF sul computer senza doverli sintetizzare".