Dankzij een samenwerking met Penn State zijn omgevingssensoren een stap dichter bij het gelijktijdig opsnuiven van meerdere gassen die kunnen wijzen op ziekte of vervuiling. Huanyu "Larry" Cheng, assistent-professor technische wetenschappen en mechanica aan het College of Engineering, en Lauren Zarzar, assistent-professor scheikunde aan het Eberly College of Science, en hun teams combineerden laserschrijven en responsieve sensortechnologieën om de eerste zeer aanpasbare microschaal te fabriceren apparaten voor gasdetectie.

Ze publiceerden hun techniek deze maand in ACS Applied Materials &Interfaces .

"De detectie van gassen is van cruciaal belang voor verschillende gebieden, waaronder monitoring van vervuiling, openbare veiligheid en persoonlijke gezondheidszorg", zei Cheng. "Om aan deze behoeften te voldoen, moeten sensorapparatuur klein, lichtgewicht, goedkoop en gemakkelijk te gebruiken zijn en toepasbaar zijn op verschillende omgevingen en substraten, zoals kleding of leidingen."

Volgens Cheng is de uitdaging om apparaten te maken met de gewenste eigenschappen die nog steeds kunnen worden aangepast met de infrastructuur die nodig is voor nauwkeurige en nauwkeurige detectie van verschillende doelgassen tegelijkertijd. Dat is waar Zarzar's expertise met laserschrijven van pas komt.

"Laserschrijftechnieken geven ontwerpvrijheid voor een breed scala aan velden," zei Zarzar. "Door ons begrip uit te breiden over het direct synthetiseren, vormen en integreren van nieuwe materialen - met name nanomaterialen en nanomateriaalcomposieten - in complexe systemen, kunnen we steeds geavanceerdere en bruikbare detectietechnologieën creëren."

Haar onderzoeksgroep ontwikkelde het laser-geïnduceerde thermische voxelproces, dat de gelijktijdige creatie en integratie van metaaloxiden rechtstreeks in sensorplatforms mogelijk maakt. Metaaloxiden zijn materialen die reageren op verschillende verbindingen, waardoor het detectiemechanisme wordt geactiveerd. Met laserschrijven lossen de onderzoekers metaalzouten op in water en richten de laser vervolgens in de oplossing. De hoge temperatuur ontleedt de oplossing en laat metaaloxidenanodeeltjes achter die op het sensorplatform kunnen worden gesinterd.

Het proces stroomlijnt eerdere methoden, waarvoor een vooraf gedefinieerd masker van het geplande patroon nodig was. Voor alle veranderingen of aanpassingen moest een nieuw masker worden gemaakt, wat tijd en geld kostte. Laserschrijven is volgens Zarzar "maskerloos", en in combinatie met het thermische voxel-proces maakt het snelle iteratie en testen van meerdere ontwerpen of materialen mogelijk om de meest effectieve combinaties te vinden.

"Nauwkeurige patroonvorming is ook een noodzakelijk onderdeel voor het creëren van 'elektronische neuzen', of arrays van sensoren die als een neus werken en meerdere gassen tegelijkertijd precies kunnen detecteren", zegt Alexander Castonguay, afgestudeerde student scheikunde en co-eerste auteur op papier. "Zo'n nauwkeurige detectie vereist het in patroon brengen van verschillende materialen dicht bij elkaar, op de dunste microschaal. Weinig patroontechnieken hebben de resolutie om dit te doen, maar de benadering die in deze studie wordt beschreven, doet dat wel. We zijn van plan de hier beschreven technieken en materialen te gebruiken om elektronische neus prototypes."

De onderzoekers testten vijf verschillende metalen en metaalcombinaties die momenteel in sensoren worden gebruikt. Volgens Castonguay cultiveert het punt waar verschillende metaaloxiden elkaar raken, een heterojunctie genoemd, een unieke omgeving op het grensvlak van de twee materialen die de respons van gassensoren verbetert. Het team ontdekte dat een heterojunctie van koperoxide en zinkoxide een vijf tot twintig keer verbeterde respons heeft op de geteste gassen - ethanol, aceton, stikstofdioxide, ammoniak en waterstofsulfide - dan alleen koperoxide.

"Deze bevinding ondersteunt andere rapporten in de wetenschappelijke literatuur dat het creëren van gemengde oxide-systemen kan leiden tot een significante toename van de sensorrespons en demonstreert de werkzaamheid van de laser-geïnduceerde thermische voxel-techniek voor de fabricage van gemengde oxide-gassensoren," zei Castonguay. "We hopen door de kennis van laserschrijven van de Zarzar-groep te bundelen met de expertise van draagbare sensoren van de Cheng-groep, dat we onze mogelijkheden kunnen uitbreiden om nieuwe, aanpasbare sensoren te maken." + Verder verkennen

Nieuwe ademende gassensoren kunnen de monitoring van gezondheid en milieu verbeteren