Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Technische Universiteit van Darmstadt hebben een nieuwe sensor voor gasmoleculen ontwikkeld door een grafeentransistor te combineren met een op maat gemaakte metaal-organische coating. De innovatieve sensor detecteert specifiek en nauwkeurig moleculen en vertegenwoordigt het prototype van een geheel nieuwe klasse sensoren. De ontwikkelde ethanolsensor reageert niet op andere alcoholen of vochtigheid. De resultaten worden gerapporteerd in Geavanceerde materialen .

Sensoren zijn alomtegenwoordig in voertuigen of smartphones, onderzoekslaboratoria en industriële faciliteiten. Ze vangen bepaalde fysische of chemische eigenschappen op, zoals druk, deformatie, of gasmoleculen, en de gegevens doorgeven aan de verwerking. Verdere ontwikkeling van sensoren, Vandaar, is van doorslaggevend belang voor de technologische vooruitgang. Sensoren worden gekenmerkt door hun selectiviteit, d.w.z. hun vermogen om een ​​bepaalde eigenschap op te sporen in aanwezigheid van andere, mogelijk storende eigenschappen, evenals door hun gevoeligheid, d.w.z. hun vermogen om zelfs lage waarden te meten.

Onderzoekers van het KIT en de Technische Universiteit van Darmstadt zijn er nu in geslaagd een nieuw type sensor te ontwikkelen voor moleculen in de gasfase. De wetenschappers rapporteren in Geavanceerde materialen dat het werkingsprincipe van deze nieuwe klasse sensoren is gebaseerd op het combineren van gevoelige grafeentransistors met op maat gemaakte metaal-organische coatings. Deze combinatie maakt selectieve detectie van moleculen mogelijk. Als prototype, de auteurs presenteren een specifieke ethanolsensor. In tegenstelling tot in de handel verkrijgbare sensoren, het reageert niet op alcohol of vocht.

Grafeen is een modificatie van koolstof met een tweedimensionale structuur. Van nature, het is zeer gevoelig voor vreemde moleculen die zich aan het oppervlak hechten. "Echter, grafeen vertoont geen molecuulspecifieke interactie die nodig is voor gebruik als sensor, " zegt Ralph Krupke. Krupke is hoogleraar aan het Instituut voor Nanotechnologie (INT) van het KIT en het Instituut voor Materiaalkunde van de TU Darmstadt. Samen met professor Wolfgang Wenzel (ook INT) en professor Christof Wöll, die aan het hoofd staat van KIT's Institute of Functional Interfaces (IFG), hij leidde de studie. Eerste auteur is Sundeep Kumar, die onderzoek doet in het laboratorium van Ralph Krupke aan het KIT en werkt aan zijn doctoraat op het gebied van moleculaire nanostructuren aan het Institute of Materials Science van de TU Darmstadt. "Om de vereiste selectiviteit te bereiken, we hebben een metaal-organisch raamwerk laten groeien op het oppervlak, ’ legt Krupke uit.

Sensoren kunnen nauwkeurig worden afgesteld

Metaal-organische raamwerken (MOF's) bestaan ​​uit metalen knopen en organische moleculen als drijfstangen. Door verschillende combinaties te kiezen, deze zeer poreuze kristallijne materialen kunnen worden aangepast aan verschillende toepassingen om een ​​selectief absorptievermogen voor bepaalde moleculen te bereiken, bijvoorbeeld. De onderzoekers uit Karlsruhe en Darmstadt presenteerden een selectief sensorplatform door een op een oppervlak gemonteerd metaal-organisch raamwerk (SURMOF) rechtstreeks op een grafeen-veldeffecttransistor (GFET) te laten groeien. Zo'n component profiteert zowel van de hoge gevoeligheid en eenvoudige uitlezing van een GFET als van de hoge selectiviteit van een SURMOF.

"De combinatie van de unieke elektronische eigenschappen van grafeen met de hoge chemische variabiliteit van MOF's opent een groot potentieel, " zegt Christof Wöll. Aangezien verschillende soorten SURMOF's kunnen worden geproduceerd en chemische ontwerpen van de interface tussen GFET en SURMOF kunnen variëren, werk van de onderzoekers opent een geheel nieuwe klasse van sensoren met een specifiek aangepaste selectiviteit en gevoeligheid. "Hier, simulatie helpt, "Wolfgang Wenzel zegt, "omdat we veel MOF's op de computer kunnen maken zonder ze te hoeven synthetiseren."