Ultragevoelige gassensoren gebaseerd op de infusie van booratomen in grafeen - een strak gebonden matrix van koolstofatomen - kunnen binnenkort mogelijk zijn, volgens een internationaal team van onderzoekers uit zes landen.

Grafeen staat bekend om zijn opmerkelijke kracht en het vermogen om elektronen met hoge snelheid te transporteren, maar het is ook een zeer gevoelige gassensor. Met de toevoeging van booratomen, de boor-grafeensensoren waren in staat om schadelijke gasmoleculen te detecteren in extreem lage concentraties, delen per miljard in het geval van stikstofoxiden en delen per miljoen voor ammoniak, de twee tot nu toe geteste gassen. Dit vertaalt zich in een 27 keer grotere gevoeligheid voor stikstofoxiden en 10, 000 keer grotere gevoeligheid voor ammoniak in vergelijking met ongerept grafeen. De onderzoekers geloven dat deze resultaten, vandaag (2 november) gemeld in de Proceedings van de National Academy of Sciences , zal een pad openen naar hoogwaardige sensoren die sporen van vele andere moleculen kunnen detecteren.

"Dit is een project dat we de afgelopen vier jaar hebben nagestreefd, " zei Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde aan Penn State. "Vroeger konden we grafeen dopen met stikstofatomen, maar borium bleek veel moeilijker te zijn. Toen we eenmaal in staat waren om te synthetiseren wat we dachten dat boriumgrafeen was, we hebben samengewerkt met experts in de Verenigde Staten en over de hele wereld om ons onderzoek te bevestigen en de eigenschappen van ons materiaal te testen."

Zowel boor als stikstof liggen naast koolstof op het periodiek systeem, hun vervanging mogelijk te maken. Maar boorverbindingen zijn zeer luchtgevoelig en ontleden snel bij blootstelling aan de atmosfeer. Vellen van een vierkante centimeter werden gesynthetiseerd in Penn State in een uniek, door een bubbler geassisteerd chemisch opdampsysteem. Het resultaat was een groot gebied, hoogwaardige met boor gedoteerde grafeenplaten.

Eenmaal gefabriceerd, de onderzoekers stuurden boorgrafeenmonsters naar onderzoekers van het Honda Research Institute USA Inc., Columbus, Ohio, die de monsters testten met hun eigen zeer gevoelige gassensoren. Konstantin Novoselov's laboratorium aan de Universiteit van Manchester, VK, bestudeerde het transportmechanisme van de sensoren. Novoselov was in 2010 de Nobelprijswinnaar voor de natuurkunde. Theoriemedewerkers in de VS en België koppelden de scanning tunneling microscopiebeelden aan experimentele beelden, bevestigde de aanwezigheid van de booratomen in het grafeenrooster en hun effect bij interactie met ammoniak- of stikstofoxidemoleculen. Ook medewerkers in Japan en China droegen bij aan het onderzoek.

"Dit multidisciplinaire onderzoek effent een nieuwe weg voor verdere verkenning van ultragevoelige gassensoren, " zei Avetik Harutyunyan, hoofdwetenschapper en projectleider bij Honda Research Institute USA Inc. "Onze aanpak combineert nieuwe nanomaterialen met continue ultraviolette lichtstraling in het sensorontwerp dat de afgelopen vijf jaar in ons laboratorium is ontwikkeld door hoofdonderzoeker Dr. Gugang Chen. Wij geloven dat verdere ontwikkeling van deze technologie kan de detectielimiet voor delen per quadriljoen doorbreken, dat is tot zes ordes van grootte betere gevoeligheid dan de huidige state-of-the-art sensoren."

Deze sensoren kunnen worden gebruikt voor laboratoria en industrieën die ammoniak, een zeer corrosief gevaar voor de gezondheid, of om stikstofoxiden op te sporen, een gevaarlijke luchtverontreinigende stof die wordt uitgestoten door uitlaatpijpen van auto's. Naast het detecteren van giftige of ontvlambare gassen, theoretisch werk geeft aan dat met boor gedoteerd grafeen zou kunnen leiden tot verbeterde lithium-ionbatterijen en veldeffecttransistoren, melden de auteurs.