Koolstofnanobuisjes bieden een krachtige nieuwe manier om schadelijke gassen in het milieu te detecteren. Echter, de methoden die doorgaans worden gebruikt om sensoren van koolstofnanobuisjes te bouwen, zijn gevaarlijk en niet geschikt voor grootschalige productie.

Een nieuwe fabricagemethode gecreëerd door MIT-chemici - zo simpel als het tekenen van een lijn op een vel papier - kan dat obstakel overwinnen. MIT-postdoc Katherine Mirica heeft een nieuw type potloodstift ontworpen waarin grafiet is vervangen door een gecomprimeerd poeder van koolstofnanobuisjes. De leiding, die kan worden gebruikt met een gewoon mechanisch potlood, kan sensoren inschrijven op elk papieroppervlak.

de voeler, beschreven in het journaal Angewandte Chemie , detecteert minieme hoeveelheden ammoniakgas, een industrieel gevaar. Timoteüs Swager, de John D. MacArthur hoogleraar scheikunde en leider van het onderzoeksteam, zegt dat de sensoren kunnen worden aangepast om bijna elk type gas te detecteren.

"Het mooie hiervan is dat we allerlei chemisch specifieke gefunctionaliseerde materialen kunnen gaan maken, " zegt Swager. "We denken dat we sensoren kunnen maken voor bijna alles wat vluchtig is."

Andere auteurs van het artikel zijn afgestudeerde student Jonathan Weis en postdocs Jan Schnorr en Birgit Esser.

Potlood het in

Koolstofnanobuisjes zijn vellen koolstofatomen die in cilinders zijn gerold waardoor elektronen ongehinderd kunnen stromen. Van dergelijke materialen is aangetoond dat ze effectieve sensoren zijn voor veel gassen, die zich aan de nanobuisjes binden en de elektronenstroom belemmeren. Echter, het maken van deze sensoren vereist het oplossen van nanobuisjes in een oplosmiddel zoals dichloorbenzeen, een proces gebruiken dat gevaarlijk en onbetrouwbaar kan zijn.

Swager en Mirica gingen op zoek naar een oplosmiddelvrije fabricagemethode op basis van papier. Geïnspireerd door potloden op haar bureau, Mirica kwam op het idee om koolstofnanobuisjes samen te persen tot een grafietachtig materiaal dat het potlood zou kunnen vervangen.

Om sensoren te maken met hun potlood, de onderzoekers tekenen een lijn van koolstofnanobuisjes op een vel papier bedrukt met kleine elektroden van goud. Ze passen vervolgens een elektrische stroom toe en meten de stroom terwijl deze door de koolstofnanobuisjesstrook stroomt, die als weerstand fungeert. Als de stroom verandert, het betekent dat gas is gebonden aan de koolstofnanobuisjes.

De onderzoekers testten hun apparaat op verschillende soorten papier, en ontdekte dat de beste respons kwam met sensoren die op gladder papier waren getekend. Ze ontdekten ook dat de sensoren consistente resultaten geven, zelfs als de markeringen niet uniform zijn.

Twee grote voordelen van de techniek zijn dat het goedkoop is en dat het "potlood" extreem stabiel is, zegt Swager. "Je kunt je geen stabielere formulering voorstellen. De moleculen zijn geïmmobiliseerd, " hij zegt.

De nieuwe sensor kan nuttig zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, zegt Zhenan Bao, een universitair hoofddocent chemische technologie aan de Stanford University. "Ik kan al veel manieren bedenken waarop deze techniek kan worden uitgebreid om koolstofnanobuisjes te bouwen, " zegt Bao, die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam. "Vergeleken met andere typische technieken, zoals spincoating, onderdompeling coating of inkjet printen, Ik ben onder de indruk van de goede reproduceerbaarheid van de detectierespons die ze konden krijgen."

Sensoren voor elk gas

In dit onderzoek, de onderzoekers concentreerden zich op pure koolstofnanobuisjes, maar ze werken nu aan het afstemmen van de sensoren om een ​​breed scala aan gassen te detecteren. Selectiviteit kan worden gewijzigd door metaalatomen toe te voegen aan de wanden van nanobuisjes, of door polymeren of andere materialen om de buizen te wikkelen.

Een gas waar de onderzoekers in het bijzonder in geïnteresseerd zijn, is ethyleen, die nuttig zou zijn om de rijpheid van fruit te controleren terwijl het wordt verzonden en opgeslagen. Het team zoekt ook naar sensoren voor zwavelverbindingen, die nuttig kunnen zijn voor het opsporen van aardgaslekken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.