Door koolstoflinten van DNA-formaat aan een gassensor vast te maken, kan de gevoeligheid ervan veel beter worden verhoogd dan enig ander bekend koolstofmateriaal. zegt een nieuwe studie van de Universiteit van Nebraska-Lincoln.

Het team ontwikkelde een nieuwe vorm van nano-lint gemaakt van grafeen, een 2-D honingraat van koolstofatomen. Toen de onderzoekers een film van de nano-linten in het circuit van een gassensor integreerden, het reageerde ongeveer 100 keer gevoeliger op moleculen dan sensoren met zelfs de best presterende op koolstof gebaseerde materialen.

"We hebben eerder sensoren bestudeerd die zijn gebaseerd op andere op koolstof gebaseerde materialen zoals grafeen en grafeenoxide, " zei Alexander Sinitskii, universitair hoofddocent scheikunde aan Nebraska. "In het geval van grafeen nano-linten, we waren er zeker van dat we een sensorreactie zouden zien, maar we hadden niet verwacht dat het zo veel hoger zou zijn dan alles wat we in het verleden hebben gezien."

Hun bevindingen rapporteren in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de onderzoekers toonden aan dat gasmoleculen de elektrische weerstand van nano-lintfilms drastisch kunnen veranderen. Verschillende gassen produceerden verschillende weerstandskenmerken, zodat de sensor ze van elkaar kan onderscheiden.

"Met meerdere sensoren op een chip, we konden aantonen dat we moleculen kunnen onderscheiden die bijna dezelfde chemische aard hebben, " zei Sinitskii, een lid van het Nebraska Center for Materials and Nanoscience. "Bijvoorbeeld, we kunnen methanol en ethanol uit elkaar houden. Dus deze sensoren op basis van grafeen nano-linten kunnen niet alleen gevoelig maar ook selectief zijn."

Sinitskii en zijn collega's vermoeden dat de opmerkelijke prestaties van de nano-linten deels voortkomen uit een ongebruikelijke interactie tussen de linten en gasmoleculen. In tegenstelling tot zijn voorgangers, de nano-linten van het team - die lijken op geordende rijen van Charlie Brown's overhemdstrepen - staan ​​verticaal in plaats van plat op een oppervlak te liggen. Het team heeft voorgesteld dat gasmoleculen deze rijen uit elkaar kunnen duwen, effectief de openingen tussen nano-linten verlengen die elektronen moeten springen om elektriciteit te geleiden.

Vul de (benzeen)ring in

grafeen, wiens ontdekking in 2004 uiteindelijk een Nobelprijs opleverde, beschikt over ongeëvenaarde elektrische geleidbaarheid. Maar het ontbreken van een bandgap in het materiaal - waarvoor elektronen energie moeten winnen voordat ze van hun nabije banen rond atomen springen naar een buitenste "geleidingsband" die geleidbaarheid aanstuurt - verhinderde aanvankelijk dat onderzoekers die geleidbaarheid uitschakelden. Dit, beurtelings, stelde uitdagingen voor het toepassen van grafeen in elektronica waarvoor de geleidbaarheid van het materiaal naar believen moet worden aangepast.

Een mogelijke oplossing was het inkorten van vellen grafeen tot nanoscopische linten waarvan computersimulaties suggereerden dat ze de ongrijpbare bandafstand zouden hebben. Dit bleek moeilijk te doen met de atomaire precisie die nodig was om de eigenschappen te behouden die grafeen in de eerste plaats aantrekkelijk maakten, dus begonnen onderzoekers van onderaf linten te fabriceren door moleculen strategisch samen te klikken op bepaalde soorten vaste oppervlakken. Hoewel het proces werkte - en de resulterende linten hadden een bandgap - beperkte het onderzoekers tot het fabriceren van slechts een paar linten tegelijk.

In 2014, Sinitskii was de pionier van een benadering die nanolinten in een vloeibare oplossing in massa kon produceren, een cruciale stap in de richting van opschaling van de technologie voor elektronische toepassingen. Maar de films gemaakt van deze nano-linten waren niet geleidend genoeg om elektrische metingen uit te voeren. De nieuwste studie van het team paste de oorspronkelijke chemische benadering aan door benzeenringen - circulaire moleculen met zes atomen van zowel koolstof als waterstof - toe te voegen aan weerszijden van een nano-lint van de eerste generatie. Deze ringen verbreedden het lint, het verminderen van de band gap en het verbeteren van het vermogen om elektriciteit te geleiden.

"Mensen denken niet vaak aan grafeen-nanolinten als sensormateriaal, "Zei Sinitskii. "Echter, dezelfde (eigenschap) die de nano-linten goed maakt voor apparaten zoals transistors - het vermogen om hun geleidbaarheid met verschillende ordes van grootte te veranderen - maakt ze ook goed voor sensoren.

"Het is mogelijk om veel verschillende soorten grafeen-nanolinten te ontwerpen met zeer uiteenlopende eigenschappen. Er zijn tot nu toe slechts enkele soorten experimenteel aangetoond, maar er zijn veel interessante theoretische voorspellingen over linten die nog door chemici moeten worden gesynthetiseerd. Het is dus zeer waarschijnlijk dat er in de nabije toekomst nieuwe nano-linten met nog betere sensoreigenschappen of andere opwindende eigenschappen zullen worden ontwikkeld."