Sensoren die chemicaliën in de lucht opsnuiven om ons te waarschuwen voor alles, van branden tot koolmonoxide tot dronken chauffeurs tot explosieven verborgen in bagage, zijn zo verbeterd dat ze zelfs ziektes op de adem van een persoon kunnen detecteren. Onderzoekers van de Drexel University en het Korea Advanced Institute of Science and Technology hebben een ontdekking gedaan die onze beste 'chemische neuzen' nog gevoeliger zou kunnen maken.

In onderzoek, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano , beschrijft het team hoe een tweedimensionale, metaalachtig materiaal genaamd MXene kan worden gebruikt als een zeer gevoelige detector van gasvormige chemicaliën. Het artikel suggereert dat MXene chemicaliën kan opnemen, zoals ammoniak en aceton, die indicatoren zijn voor zweren en diabetes, in veel lagere sporen dan sensoren die nu in de medische diagnostiek worden gebruikt.

"MXene is een van de meest gevoelige gassensoren die ooit zijn gerapporteerd. Dit onderzoek is belangrijk omdat het het bereik voor detectie van gewone gassen vergroot, waardoor we zeer lage concentraties kunnen detecteren die we eerder niet konden detecteren, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach Professor in Drexel's College of Engineering, die een leidende Drexel-auteur van de studie was. "De hoge gevoeligheid van het apparaat kan worden gebruikt voor het detecteren van giftige gassen of verontreinigende stoffen die in onze omgeving worden aangetroffen."

Gogotsi's onderzoeksgroep voor nanomaterialen, van Drexel's Department of Materials Science and Engineering, samen met Hee-Tae Jung, doctoraat, een professor aan KAIST in Daejeon, Zuid-Korea om de gasgevoelige eigenschappen van titaniumcarbide MXene te onderzoeken. De sleutel tot zijn uitstekende geurspeurvermogen is dat MXene zowel zeer geleidend is als een meetbare verandering van elektrische geleidbaarheid ondergaat in de aanwezigheid van de chemische stof die het moet detecteren - en alleen wanneer die specifieke chemische stof aanwezig is.

Dit onderscheidingsvermogen wordt de "signaal-ruis"-verhouding genoemd in de wereld van chemische sensoren en wordt gebruikt om de kwaliteit van sensoren te rangschikken - meer signaal en minder ruis oppikken is het doel. Degenen die tegenwoordig worden gebruikt - meestal in medische omgevingen om chemicaliën zoals aceton, ethanol en propanol, of in breathalyzers om alcohol te detecteren - een signaal-ruisverhouding hebben tussen 3-10, MXene's is tussen de 170 en 350, afhankelijk van de chemische stof.

"Als het materiaal op gassen kan reageren door een sterk signaal te geven, terwijl het tegelijkertijd geleidend is en een laag elektrisch geluid bereikt, de sensor kan gassen in zeer lage concentraties detecteren omdat de signaal-ruisverhouding hoog is - dit is duidelijk het geval bij MXene, "Zei Gogotsi. "MXene kan gassen detecteren in het bereik van 50-100 delen per miljard, die lager is dan de concentratie die nodig is voor huidige sensoren om diabetes en een aantal andere gezondheidsproblemen te detecteren."

Dit niveau van gevoeligheid kan van groot belang zijn voor het opsporen van ziekten. Naast maagzweren en diabetes, ademanalyse wordt momenteel ontwikkeld voor vroege diagnose van meerdere soorten kanker, cirrose, multiple sclerose en nierziekte. Als de chemische indicatoren voor deze ziekten in lagere concentraties kunnen worden waargenomen, is de kans groter dat ze in een vroeger stadium worden gediagnosticeerd en behandeld.

Het voordeel van MXene ten opzichte van conventionele sensormaterialen ligt in de poreuze structuur en chemische samenstelling. Het materiaal is goed in zowel gasmoleculen laten bewegen over het oppervlak als blijven haken, of adsorberen, bepaalde stoffen die er chemisch door worden aangetrokken, goede selectiviteit vertonen.

Het team van Gogotsi heeft MXenes onderzocht sinds de ontdekking van het materiaal bij Drexel in 2011. De groep heeft meer dan twee dozijn verschillende chemische samenstellingen voor het materiaal kunnen creëren en bestuderen. wat betekent dat ze kunnen worden gebruikt om sensoren te maken voor een zeer grote verscheidenheid aan gassen.

In de toekomst, Gogotsi suggereert, MXene-sensoren kunnen een belangrijke rol spelen bij milieumonitoring, energie oogsten en opslaan, evenals de gezondheidszorg.

"De volgende stap om dit onderzoek vooruit te helpen, is het ontwikkelen van sensorgevoeligheid voor verschillende soorten gassen en het verbeteren van de detectieselectiviteit tussen verschillende gassen, "Zei Gogotsi. "We kunnen ons ook persoonlijke sensoren voorstellen die in onze smartphones of fitnesstrackers zullen zitten, lichaamsfuncties en het milieu bewaken terwijl we werken, slapen of sporten, bereikbaar met een tik van een vinger. Het verbeteren van de detectiegevoeligheid met nieuwe materialen is de eerste stap om deze apparaten te realiseren."