Australische onderzoekers hebben een efficiëntere versie op moleculair formaat ontwikkeld van een veelgebruikte elektronische sensor, een doorbraak die wijdverbreide voordelen zou kunnen opleveren.

Piëzoweerstanden worden vaak gebruikt om trillingen in elektronica en auto's te detecteren, zoals in smartphones voor het tellen van stappen en voor het opblazen van airbags in auto's. Ze worden ook gebruikt in medische apparaten zoals implanteerbare druksensoren, maar ook in de lucht- en ruimtevaart.

In een landelijk initiatief hebben onderzoekers onder leiding van Dr. Nadim Darwish van Curtin University, professor Jeffrey Reimers van de University of Technology Sydney, universitair hoofddocent Daniel Kosov van James Cook University en Dr. Thomas Fallon van de Universiteit van Newcastle een piëzoweerstand ontwikkeld dat is ongeveer 500.000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , is het onderzoeksartikel getiteld "Controlling Piezoresistance in Single Molecules through the Isomerization of Bullvalenes."

Dr. Darwish zei dat ze een gevoeliger, geminiaturiseerd type van dit belangrijke elektronische onderdeel hebben ontwikkeld, dat kracht of druk omzet in een elektrisch signaal en dat in veel alledaagse toepassingen wordt gebruikt.

"Vanwege zijn omvang en chemische aard zal dit nieuwe type piëzoresistor een geheel nieuw domein van mogelijkheden openen voor chemische en biosensoren, mens-machine-interfaces en apparaten voor gezondheidsmonitoring", aldus Dr. Darwish.

"Omdat ze op moleculaire basis zijn gebaseerd, kunnen onze nieuwe sensoren worden gebruikt om andere chemicaliën of biomoleculen zoals eiwitten en enzymen te detecteren, wat baanbrekend zou kunnen zijn voor het detecteren van ziekten."

Dr. Fallon zei dat de nieuwe piëzoweerstand is gemaakt van een enkel bullvaleenmolecuul dat, wanneer het mechanisch wordt belast, reageert om een ​​nieuw molecuul met een andere vorm te vormen, waardoor de elektriciteitsstroom wordt gewijzigd door de weerstand te veranderen.

"De verschillende chemische vormen staan ​​bekend als isomeren, en dit is de eerste keer dat reacties daartussen zijn gebruikt om piëzoweerstanden te ontwikkelen," zei Dr. Fallon.

"We hebben de complexe reeks reacties die plaatsvinden kunnen modelleren en begrijpen hoe afzonderlijke moleculen in realtime kunnen reageren en transformeren."

Professor Reimers zei dat het belang hiervan ligt in het vermogen om de verandering in de vorm van een reagerend molecuul elektrisch te detecteren, heen en weer, ongeveer één keer per milliseconde.

"Het detecteren van moleculaire vormen op basis van hun elektrische geleiding is een geheel nieuw concept van chemische detectie", aldus professor Reimers.

Universitair hoofddocent Kosov zei dat het begrijpen van de relatie tussen moleculaire vorm en geleidbaarheid het mogelijk zal maken om basiseigenschappen van verbindingen tussen moleculen en daaraan verbonden metalen geleiders te bepalen.

"Deze nieuwe mogelijkheid is van cruciaal belang voor de toekomstige ontwikkeling van alle moleculaire elektronische apparaten", aldus universitair hoofddocent Kosov.

Meer informatie: Jeffrey R. Reimers et al, Controle van de piëzoresistentie in afzonderlijke moleculen door de isomerisatie van bullvalenen, Nature Communications (2023). DOI:10,1038/s41467-023-41674-z

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Curtin University