(PhysOrg.com) -- Een nieuwe studie van het Rensselaer Polytechnic Institute laat zien hoe grafeenschuim beter kan presteren dan toonaangevende commerciële gassensoren bij het detecteren van potentieel gevaarlijke en explosieve chemicaliën. De ontdekking opent de deur voor een nieuwe generatie gassensoren die kunnen worden gebruikt door bommenploegen, wetshandhavers, defensie organisaties, en in verschillende industriële omgevingen.

De nieuwe sensor heeft met succes en herhaaldelijk ammoniak (NH3) en stikstofdioxide (NO2) gemeten in concentraties van slechts 20 delen per miljoen. Gemaakt van doorlopende grafeen nanosheets die uitgroeien tot een schuimachtige structuur ter grootte van een postzegel en dikte van vilt, de sensor is flexibel, ruig, en lost uiteindelijk de tekortkomingen op die hebben verhinderd dat op nanostructuren gebaseerde gasdetectoren de markt bereikten.

De resultaten van de studie zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , uitgegeven door Nature Publishing Group. Zie het papier, getiteld "Hoge gevoeligheid gasdetectie met behulp van een macroscopisch driedimensionaal grafeenschuimnetwerk."

“We zijn erg enthousiast over deze nieuwe ontdekking, waarvan we denken dat ze kunnen leiden tot nieuwe commerciële gassensoren, ” zei Rensselaer Engineering Professor Nikhil Koratkar, die samen met professor Hui-Ming Cheng de studie leidde van het Shenyang National Laboratory for Materials Science aan de Chinese Academy of Sciences. “Tot nu toe, de sensoren hebben aangetoond dat ze aanzienlijk gevoeliger zijn voor het detecteren van ammoniak en stikstofdioxide bij kamertemperatuur dan de commerciële gasdetectoren die momenteel op de markt zijn.”

In het afgelopen decennium hebben onderzoekers aangetoond dat individuele nanostructuren extreem gevoelig zijn voor chemicaliën en verschillende gassen. Om een ​​apparaat te bouwen en te bedienen met behulp van een individuele nanostructuur voor gasdetectie, echter, bleek veel te ingewikkeld, duur, en onbetrouwbaar om commercieel levensvatbaar te zijn, zei Koratkar. Een dergelijk streven zou het creëren en manipuleren van de positie van de individuele nanostructuur, lokaliseren met behulp van microscopie, lithografie gebruiken om gouden contacten aan te brengen, gevolgd door andere langzame, kostbare stappen. Ingebed in een handheld-apparaat, zo'n enkele nanostructuur kan gemakkelijk worden beschadigd en onbruikbaar worden gemaakt. Aanvullend, het kan een uitdaging zijn om het gedetecteerde gas van de enkele nanostructuur te "reinigen".

De nieuwe structuur ter grootte van een postzegel, ontwikkeld door Koratkar, heeft dezelfde aantrekkelijke eigenschappen als een individuele nanostructuur, maar is veel gemakkelijker om mee te werken vanwege zijn grote, grootte op macroschaal. Koratkars medewerkers aan de Chinese Academie van Wetenschappen kweekten grafeen op een structuur van nikkelschuim. Na het verwijderen van het nikkelschuim, wat overblijft is een grote, vrijstaand netwerk van schuimachtig grafeen. In wezen een enkele laag van het grafiet dat gewoonlijk wordt aangetroffen in onze potloden of de houtskool die we op onze barbecues verbranden, grafeen is een atoomdikke laag koolstofatomen die is gerangschikt als een kippengaashek op nanoschaal. De wanden van de schuimachtige grafeensensor bestaan ​​uit doorlopende grafeenvellen zonder fysieke onderbrekingen of interfaces tussen de vellen.

Koartkar en zijn studenten ontwikkelden het idee om deze grafeenschuimstructuur als gasdetector te gebruiken. Als gevolg van het blootstellen van het grafeenschuim aan lucht die is verontreinigd met sporen van ammoniak of stikstofdioxide, ontdekten de onderzoekers dat de gasdeeltjes vastzaten, of geadsorbeerd, naar het oppervlak van het schuim. Deze verandering in oppervlaktechemie heeft een duidelijke invloed op de elektrische weerstand van het grafeen. Het meten van deze weerstandsverandering is het mechanisme waarmee de sensor verschillende gassen kan detecteren.

Aanvullend, de grafeenschuimgasdetector is erg gemakkelijk schoon te maken. Door een stroom van ~ 100 milliampère door de grafeenstructuur aan te brengen, Het team van Koratkar was in staat om het grafeenschuim voldoende te verwarmen om het los te maken, of desorberen, alle geadsorbeerde gasdeeltjes. Dit reinigingsmechanisme heeft geen invloed op het vermogen van grafeenschuim om gassen te detecteren, wat betekent dat het detectieproces volledig omkeerbaar is en dat een apparaat op basis van deze nieuwe technologie weinig stroom nodig heeft - geen externe verwarming nodig heeft om het schuim te reinigen - en herbruikbaar.

Koratkar koos ammoniak als testgas om de proof-of-concept voor deze nieuwe detector te demonstreren. Ammoniumnitraat is aanwezig in veel explosieven en het is bekend dat het geleidelijk ontbindt en sporen van ammoniak vrijgeeft. Als resultaat, ammoniakdetectoren worden vaak gebruikt om te testen op de aanwezigheid van een explosief. Een giftig gas, ammoniak wordt ook gebruikt in een verscheidenheid aan industriële en medische processen, waarvoor detectoren nodig zijn om te controleren op lekken.

Resultaten van de studie tonen aan dat de nieuwe grafeenschuimstructuur ammoniak detecteerde op 1, 000 delen per miljoen in 5 tot 10 minuten bij kamertemperatuur en atmosferische druk. De bijbehorende verandering in de elektrische weerstand van grafeen was ongeveer 30 procent. Dit was gunstig in vergelijking met in de handel verkrijgbare geleidende polymeersensoren, die een weerstandsverandering van 30 procent ondergaan in 5 tot 10 minuten bij blootstelling aan 10, 000 delen per miljoen ammoniak. In hetzelfde tijdsbestek en met dezelfde verandering in weerstand, de grafeenschuimdetector was 10 keer zo gevoelig. De gevoeligheid van de grafeenschuimdetector is effectief tot 20 delen per miljoen, veel lager dan de in de handel verkrijgbare apparaten. Aanvullend, veel van de in de handel verkrijgbare apparaten vereisen een hoog stroomverbruik omdat ze alleen bij hoge temperaturen voldoende gevoeligheid bieden, terwijl de grafeenschuimdetector werkt bij kamertemperatuur.

Koratkars team gebruikte stikstofdioxide als tweede testgas. Verschillende explosieven, waaronder nitrocellulose, worden geleidelijk afgebroken, en het is bekend dat ze stikstofdioxidegas als bijproduct produceren. Als resultaat, stikstofdioxide wordt ook gebruikt als marker bij het testen op explosieven. Aanvullend, stikstofdioxide is een veel voorkomende verontreinigende stof die wordt aangetroffen bij verbranding en auto-emissies. Veel verschillende milieumonitoringsystemen beschikken over realtime detectie van stikstofdioxide.

De nieuwe grafeenschuimsensor detecteerde stikstofdioxide bij 100 delen per miljoen door een weerstandsverandering van 10 procent in 5 tot 10 minuten bij kamertemperatuur en atmosferische druk. Het bleek 10 keer gevoeliger te zijn dan commerciële geleidende polymeersensoren, die meestal stikstofdioxide detecteren bij 1, 000 part-per-miljoen in dezelfde tijd en met dezelfde weerstandskans bij kamertemperatuur. Andere stikstofdioxidedetectoren die tegenwoordig beschikbaar zijn, vereisen een hoog stroomverbruik en hoge temperaturen om voldoende gevoeligheid te bieden. De grafeenschuimsensor kan stikstofdioxide detecteren tot 20 delen per miljoen bij kamertemperatuur.

"We zien dit als de eerste praktische op nanostructuur gebaseerde gasdetector die levensvatbaar is voor commercialisering, " zei Koratkar, een professor in de afdeling Mechanische, ruimtevaart, en Nuclear Engineering bij Rensselaer. "Onze resultaten laten zien dat het grafeenschuim ammoniak en stikstofdioxide kan detecteren in een concentratie die een orde van grootte lager is dan de commerciële gasdetectoren die momenteel op de markt zijn."

Het grafeenschuim kan worden ontworpen om veel verschillende gassen te detecteren dan ammoniak en stikstofdioxide, hij zei.

Studies hebben de elektrische geleidbaarheid van een individuele nanobuis aangetoond, nanodraad, of grafeenplaat is acuut gevoelig voor gasadsorptie. Maar de kleine omvang van individuele nanostructuren maakte het kostbaar en uitdagend om te ontwikkelen tot een apparaat, plus de structuren zijn delicaat en leveren vaak geen consistente resultaten op.

De nieuwe grafeenschuimgassensor overwint deze uitdagingen. Het is gemakkelijk te hanteren en te manipuleren vanwege zijn grote, grootte op macroschaal. De sensor is ook flexibel, ruig, en robuust genoeg om slijtage in een apparaat aan te kunnen. Bovendien is het volledig omkeerbaar, en de resultaten die het oplevert zijn consistent en herhaalbaar. Meest belangrijk, het grafeenschuim is zeer gevoelig, dankzij zijn 3D, poreuze structuur waardoor gassen gemakkelijk kunnen adsorberen aan het enorme oppervlak. Ondanks zijn grote formaat, de grafeenschuimstructuur functioneert in wezen als een enkele nanostructuur. Er zijn geen onderbrekingen in het grafeennetwerk, wat betekent dat er geen interfaces zijn om te overwinnen, en elektronen stromen vrij met weinig weerstand. Dit draagt ​​bij aan de gevoeligheid van het schuim voor gassen.

“In zekere zin hebben we de achilleshiel van nanotechnologie voor chemische detectie overwonnen, ' zei Koratkar. “Een enkele nanostructuur werkt prima, maar betekent niet veel wanneer toegepast op een echt apparaat in de echte wereld. Wanneer u het probeert op te schalen naar proporties op macroschaal, de interfaces verslaat wat u probeert te bereiken, omdat de eigenschappen van de nanostructuur worden gedomineerd door interfaces. Nu kunnen we grafeen opschalen op een manier dat de interfaces niet aanwezig zijn. Hierdoor kunnen we profiteren van de intrinsieke eigenschappen van de nanostructuur, toch werken met een macroscopische structuur die ons herhaalbaarheid geeft, betrouwbaarheid, en robuustheid, maar vertoont een vergelijkbare gevoeligheid voor gasadsorptie als een enkele nanostructuur.”