Un equipo interdisciplinario de científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) demostró que los dichalcogenuros metálicos de transición (TMD) 2-D monocapa, semiconductores delgados atómicamente, experimentan un cambio de fase semiconductora a metálica cuando se exponen a vapores químicos en el aire.

El equipo validó la evidencia óptica y electrónica de la transición de fase y cómo se puede utilizar el comportamiento para crear una clase completamente nueva de sensores de vapor químico. Esta nueva clase de instrumentos es potencialmente más sensible que los modelos actuales de última generación, y selectivo para agentes nerviosos específicos y compuestos explosivos que son de gran preocupación en los campos de batalla actuales.

Desde el descubrimiento en 2004-2005 de que las películas de una sola capa de TMD se pueden aislar de materiales a granel debido a la débil unión entre capas de los átomos, conocido como unión de van der Waals, estos materiales continúan revelando comportamientos y propiedades nuevos y notables.

"Estos materiales son extremadamente prometedores para las aplicaciones de detección de vapores químicos porque el grosor inherente de pocos átomos del material mejora en gran medida su sensibilidad incluso a las perturbaciones superficiales más pequeñas, "dijo el Dr. Adam L. Friedman, físico investigador, División de Ciencia y Tecnología de Materiales. "Aparte del interés inmediato por la investigación básica, ya que este método particular de creación de transición de fase en TMD nunca se había observado o explorado antes, tiene una gran aplicación potencial en un nuevo tipo de fase, sensor de vapor químico multifuncional ".

Los TMD monocapa ofrecen posibles avances tecnológicos sobre los modelos de materiales actuales, que allanan el camino a precios económicos, flexible, dispositivos de alto rendimiento que explotan su funcionalidad única dominada por la superficie.

Abreviado químicamente como MX2, donde M es un metal de transición y X es un calógeno, los TMD monocapa incluyen aislantes, semiconductores, metales y otros tipos de materiales, e incluyen una variedad de propiedades que no se observan en sus equivalentes de material a granel. Ciertas películas responden selectivamente a través de un proceso de transferencia de carga a una clase de analitos que incluye agentes nerviosos, como el agente venenoso X (VX), Una cantidad microscópica de analito que se encuentra en la superficie del TMD actúa como donante de electrones y agente reductor local. que afecta de forma mensurable la conductancia de la película.

El equipo de NRL planteó la hipótesis de que ciertos analitos químicos donantes de electrones fuertes, como los relevantes para detectar ciertos agentes nerviosos y explosivos, también puede proporcionar suficiente transferencia de carga al TMD para lograr un cambio de fase. Para probar su hipótesis, los investigadores expusieron películas de TMD monocapa a analitos de vapor químico donantes de electrones fuertes y los controlaron para determinar su conductancia y respuesta óptica. Descubrieron que la respuesta de conductancia de sus dispositivos cesó después de una exposición moderada y la magnitud general de la conductancia aumentó abruptamente de manera significativa en ese momento. que marcó un cambio de fase. La respuesta óptica también corroboró un cambio de fase.

Friedman dijo:"Reunimos un conjunto de datos excepcionalmente grande que incluía múltiples métodos para medir este tipo de películas y llegamos a la conclusión de que el comportamiento que observamos no se debe al dopaje y es muy probable que sea parcial, cambios de fase localizados en las áreas de la película de TMD donde el analito adsorbido débilmente transfiere la carga a la red ".

Este comportamiento recién descubierto abre una posibilidad completamente nueva para el bajo consumo de energía, flexible, dispositivos sensores de vapor químico versátiles. Si se puede aprovechar la transición de fase para detectar directamente analitos donantes de electrones fuertes, se creará un modelo químico de detección de vapor completamente nuevo. Permitirá combinar mediciones ópticas de tipo pasivo con, o utilizado por separado de, mediciones de conductancia activa para identificar vapores de analitos, todos con el mismo dispositivo y utilizarse como mecanismo operativo para un nuevo método para identificar compuestos químicos y la presencia de vapores peligrosos.

Estudios previos de cambios de fase sin difusión similares han mostrado velocidades en el rango de nanosegundos, y los dispositivos previstos también serán rápidos, que superará el estado del arte en velocidad de detección. Debido a que la cantidad de carga necesaria para inducir un cambio de fase en cada material TMD es diferente, un conjunto de materiales TMD de detección simultánea permitirá que se detecten e incluso se identifiquen varios donantes / aceptores de electrones de fuerza con la redundancia necesaria para minimizar el error. Debido a sus bajos requisitos de espacio y gastos, Estos sensores también se pueden combinar fácilmente con sensores de corriente para crear un instrumento aún más versátil para las plataformas actuales del Departamento de Defensa (DoD).

Los resultados se informan en la edición de junio de 2017 de Naturaleza Grupo Editorial Informes científicos .