Een team van onderzoekers van de Tandon School of Engineering van de New York University en het NYU Center for Neural Science heeft een al lang bestaande puzzel opgelost over het bouwen van ultragevoelige, ultrakleine elektrochemische sensoren met homogene en voorspelbare eigenschappen door te ontdekken hoe de grafeenstructuur op atomair niveau kan worden ontworpen.

Fijn afgestelde elektrochemische sensoren (ook wel elektroden genoemd) die zo klein zijn als biologische cellen, worden gewaardeerd voor medische diagnostiek en omgevingsbewakingssystemen. De vraag heeft de inspanningen gestimuleerd om nano-engineered op koolstof gebaseerde elektroden te ontwikkelen, die ongeëvenaarde elektronische, thermisch, en mechanische eigenschappen. Toch zijn deze inspanningen lange tijd gedwarsboomd door het gebrek aan kwantitatieve principes om de precieze engineering van de gevoeligheid van de elektrode voor biochemische moleculen te leiden.

Davood Shahrjerdi, een assistent-professor elektrische en computertechniek aan de NYU Tandon, en Roozbeh Kiani, een assistent-professor neurale wetenschappen en psychologie aan het Center for Neural Science, Faculteit der Kunsten en Wetenschappen, hebben de relatie tussen verschillende structurele defecten in grafeen en de gevoeligheid van de gemaakte elektroden onthuld. Deze ontdekking opent de deur voor de precieze engineering en productie op industriële schaal van homogene arrays van grafeenelektroden. De onderzoekers beschrijven hun studie in een paper dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen .

Grafeen is een enkele, atoomdunne koolstoflaag. Er is een traditionele consensus dat structurele defecten in grafeen over het algemeen de gevoeligheid van elektroden die daaruit zijn gemaakt, kunnen vergroten. Echter, een goed begrip van de relatie tussen verschillende structurele defecten en de gevoeligheid is onderzoekers lang ontgaan. Deze informatie is met name van vitaal belang voor het afstemmen van de dichtheid van verschillende defecten in grafeen om een ​​gewenst niveau van gevoeligheid te bereiken.

"Tot nu, het bereiken van een gewenst gevoeligheidseffect was verwant aan voodoo of alchemie - vaak, we wisten niet zeker waarom een ​​bepaalde benadering een min of meer gevoelige elektrode opleverde, Shahrjerdi zei. "Door systematisch de invloed van verschillende soorten en dichtheden van materiaaldefecten op de gevoeligheid van de elektrode te bestuderen, we hebben een op fysica gebaseerd microscopisch model gemaakt dat bijgeloof vervangt door wetenschappelijk inzicht."

In een verrassende bevinding, de onderzoekers ontdekten dat slechts één groep defecten in de structuur van grafeen - puntdefecten - de elektrodegevoeligheid aanzienlijk beïnvloedt, die lineair toeneemt met de gemiddelde dichtheid van deze defecten, binnen een bepaald bereik. "Als we deze puntdefecten in aantal en dichtheid optimaliseren, we kunnen een elektrode maken die tot 20 keer gevoeliger is dan conventionele elektroden, ' legde Kiani uit.

Deze bevindingen zullen zowel de fabricage van als de toepassingen voor op grafeen gebaseerde elektroden beïnvloeden. De op koolstof gebaseerde elektroden van vandaag zijn gekalibreerd voor gevoeligheid na fabricage, een tijdrovend proces dat grootschalige productie belemmert, maar de bevindingen van de onderzoekers zullen de precieze engineering van de gevoeligheid tijdens de materiaalsynthese mogelijk maken, waardoor industriële productie van op koolstof gebaseerde elektroden met betrouwbare en reproduceerbare gevoeligheid mogelijk wordt.

Momenteel, Op koolstof gebaseerde elektroden zijn onpraktisch voor elke toepassing die een dichte reeks sensoren vereist:de resultaten zijn onbetrouwbaar vanwege de grote variaties van de elektrode-naar-elektrodegevoeligheid binnen de reeks. Deze nieuwe bevindingen zullen het gebruik mogelijk maken van ultrakleine op koolstof gebaseerde elektroden met homogene en buitengewoon hoge gevoeligheden in neurale sondes van de volgende generatie en gemultiplexte "lab-on-a-chip" -platforms voor medische diagnostiek en medicijnontwikkeling, en ze kunnen optische methoden vervangen voor het meten van biologische monsters, waaronder DNA.