(PhysOrg.com) - Un nuevo estudio del Instituto Politécnico Rensselaer demuestra cómo la espuma de grafeno puede superar a los principales sensores de gas comerciales en la detección de sustancias químicas potencialmente peligrosas y explosivas. El descubrimiento abre la puerta a una nueva generación de sensores de gas que utilizarán los escuadrones de bombas. los funcionarios encargados de hacer cumplir la ley, organizaciones de defensa, y en diversos entornos industriales.

El nuevo sensor midió con éxito y repetidamente amoníaco (NH3) y dióxido de nitrógeno (NO2) en concentraciones tan pequeñas como 20 partes por millón. Hecho de nanohojas continuas de grafeno que crecen hasta convertirse en una estructura similar a una espuma del tamaño de un sello postal y el grosor de un fieltro. el sensor es flexible, escabroso, y finalmente supera las deficiencias que han impedido que los detectores de gas basados ​​en nanoestructuras lleguen al mercado.

Los resultados del estudio se publicaron hoy en la revista Informes científicos , publicado por Nature Publishing Group. Ver el papel titulado "Detección de gas de alta sensibilidad utilizando una red de espuma de grafeno tridimensional macroscópica".

“Estamos muy entusiasmados con este nuevo descubrimiento, que creemos que podría dar lugar a nuevos sensores de gas comerciales, ”Dijo el profesor de ingeniería de Rensselaer Nikhil Koratkar, quien codirigió el estudio junto con el profesor Hui-Ming Cheng en el Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales de Shenyang en la Academia de Ciencias de China. "Hasta ahora, los sensores han demostrado ser significativamente más sensibles para detectar amoníaco y dióxido de nitrógeno a temperatura ambiente que los detectores de gas comerciales en el mercado actual ”.

Durante la última década, los investigadores han demostrado que las nanoestructuras individuales son extremadamente sensibles a los productos químicos y diferentes gases. Para construir y operar un dispositivo usando una nanoestructura individual para la detección de gas, sin embargo, ha demostrado ser demasiado complejo, costoso, y poco fiable para ser comercialmente viable, Dijo Koratkar. Tal esfuerzo implicaría crear y manipular la posición de la nanoestructura individual, localizarlo mediante microscopía, usando litografía para aplicar contactos de oro, seguido de otros lentos, Pasos costosos. Integrado en un dispositivo de mano, una sola nanoestructura de este tipo puede dañarse fácilmente y dejar de funcionar. Adicionalmente, Puede ser un desafío "limpiar" el gas detectado de la nanoestructura única.

La nueva estructura del tamaño de un sello postal desarrollada por Koratkar tiene las mismas propiedades atractivas que una nanoestructura individual, pero es mucho más fácil trabajar con él debido a su gran tamaño de macroescala. Los colaboradores de Koratkar en la Academia de Ciencias de China cultivaron grafeno en una estructura de espuma de níquel. Después de quitar la espuma de níquel, lo que queda es un gran red independiente de grafeno similar a una espuma. Esencialmente una sola capa del grafito que se encuentra comúnmente en nuestros lápices o el carbón que quemamos en nuestras barbacoas, El grafeno es una hoja de átomos de carbono del espesor de un átomo dispuesta como una valla de alambre de gallinero a nanoescala. Las paredes del sensor de grafeno similar a una espuma están compuestas por láminas de grafeno continuas sin interrupciones físicas o interfaces entre las láminas.

Koartkar y sus estudiantes desarrollaron la idea de utilizar esta estructura de espuma de grafeno como detector de gas. Como resultado de exponer la espuma de grafeno al aire contaminado con trazas de amoníaco o dióxido de nitrógeno, los investigadores encontraron que las partículas de gas se pegaron, o adsorbido, a la superficie de la espuma. Este cambio en la química de la superficie tiene un impacto distinto sobre la resistencia eléctrica del grafeno. La medición de este cambio de resistencia es el mecanismo mediante el cual el sensor puede detectar diferentes gases.

Adicionalmente, El detector de gas de espuma de grafeno es muy cómodo de limpiar. Al aplicar una corriente de ~ 100 miliamperios a través de la estructura del grafeno, El equipo de Koratkar pudo calentar la espuma de grafeno lo suficiente como para soltarla, o desorber, todas las partículas de gas adsorbidas. Este mecanismo de limpieza no tiene ningún impacto en la capacidad de la espuma de grafeno para detectar gases, lo que significa que el proceso de detección es completamente reversible y un dispositivo basado en esta nueva tecnología sería de bajo consumo (sin necesidad de calentadores externos para limpiar la espuma) y sería reutilizable.

Koratkar eligió el amoníaco como gas de prueba para demostrar la prueba de concepto de este nuevo detector. El nitrato de amonio está presente en muchos explosivos y se sabe que se descompone gradualmente y libera trazas de amoníaco. Como resultado, Los detectores de amoniaco se utilizan a menudo para comprobar la presencia de un explosivo. Un gas tóxico El amoníaco también se usa en una variedad de procesos industriales y médicos, para lo cual son necesarios detectores para monitorear fugas.

Los resultados del estudio muestran que la nueva estructura de espuma de grafeno detectó amoníaco en 1, 000 partes por millón en 5 a 10 minutos a temperatura ambiente y presión atmosférica. El cambio que lo acompañó en la resistencia eléctrica del grafeno fue de alrededor del 30 por ciento. Esto se compara favorablemente con los sensores de polímeros conductores disponibles comercialmente, que experimentan un cambio de resistencia del 30 por ciento en 5 a 10 minutos cuando se exponen a 10, 000 partes por millón de amoniaco. En el mismo marco de tiempo y con el mismo cambio de resistencia, el detector de espuma de grafeno fue 10 veces más sensible. La sensibilidad del detector de espuma de grafeno es efectiva hasta 20 partes por millón, mucho más bajo que los dispositivos disponibles comercialmente. Adicionalmente, muchos de los dispositivos disponibles en el mercado requieren un alto consumo de energía, ya que proporcionan la sensibilidad adecuada solo a altas temperaturas, mientras que el detector de espuma de grafeno funciona a temperatura ambiente.

El equipo de Koratkar utilizó dióxido de nitrógeno como segundo gas de prueba. Diferentes explosivos, incluida la nitrocelulosa, se degradan gradualmente, y se sabe que producen dióxido de nitrógeno gaseoso como subproducto. Como resultado, El dióxido de nitrógeno también se utiliza como marcador cuando se realizan pruebas de explosivos. Adicionalmente, El dióxido de nitrógeno es un contaminante común que se encuentra en la combustión y las emisiones de los automóviles. Muchos sistemas de monitoreo ambiental diferentes cuentan con detección de dióxido de nitrógeno en tiempo real.

El nuevo sensor de espuma de grafeno detectó dióxido de nitrógeno a 100 partes por millón con un cambio de resistencia del 10 por ciento en 5 a 10 minutos a temperatura ambiente y presión atmosférica. Demostró ser 10 veces más sensible que los sensores de polímeros conductores comerciales, que normalmente detectan dióxido de nitrógeno en 1, 000 partes por millón al mismo tiempo y con la misma probabilidad de resistencia a temperatura ambiente. Otros detectores de dióxido de nitrógeno disponibles en la actualidad requieren un alto consumo de energía y altas temperaturas para proporcionar una sensibilidad adecuada. El sensor de espuma de grafeno puede detectar dióxido de nitrógeno hasta 20 partes por millón a temperatura ambiente.

"Vemos este como el primer detector de gas práctico basado en nanoestructura que es viable para la comercialización, "Dijo Koratkar, profesor del Departamento de Mecánica, Aeroespacial, e Ingeniería Nuclear en Rensselaer. "Nuestros resultados muestran que la espuma de grafeno es capaz de detectar amoníaco y dióxido de nitrógeno en una concentración que es un orden de magnitud inferior a la de los detectores de gas comerciales en el mercado actual".

La espuma de grafeno se puede diseñar para detectar muchos gases diferentes más allá del amoníaco y el dióxido de nitrógeno. él dijo.

Los estudios han demostrado la conductividad eléctrica de un nanotubo individual, nanoalambre, o la hoja de grafeno es muy sensible a la adsorción de gas. Pero el pequeño tamaño de las nanoestructuras individuales hizo que su desarrollo en un dispositivo fuera costoso y desafiante, además, las estructuras son delicadas y, a menudo, no producen resultados consistentes.

El nuevo sensor de gas de espuma de grafeno supera estos desafíos. Es fácil de manejar y manipular debido a su gran tamaño, tamaño de macroescala. El sensor también es flexible, escabroso, y lo suficientemente robusto como para soportar el desgaste dentro de un dispositivo. Además, es completamente reversible, y los resultados que proporciona son consistentes y repetibles. Lo más importante, la espuma de grafeno es muy sensible, gracias a su 3-D, estructura porosa que permite que los gases se adsorban fácilmente en su enorme superficie. A pesar de su gran tamaño, la estructura de la espuma de grafeno funciona esencialmente como una única nanoestructura. No hay interrupciones en la red de grafeno, lo que significa que no hay interfaces que superar, y los electrones fluyen libremente con poca resistencia. Esto se suma a la sensibilidad de la espuma a los gases.

"En cierto sentido, hemos superado el talón de Aquiles de la nanotecnología para la detección química, —Dijo Koratkar. "Una sola nanoestructura funciona muy bien, pero no significa mucho cuando se aplica en un dispositivo real en el mundo real. Cuando intentas escalarlo a proporciones de macroescala, las interfaces anulan lo que estás tratando de lograr, ya que las propiedades de la nanoestructura están dominadas por interfaces. Ahora podemos escalar el grafeno de manera que las interfaces no estén presentes. Esto nos permite aprovechar las propiedades intrínsecas de la nanoestructura, pero trabajamos con una estructura macroscópica que nos da repetibilidad, fiabilidad, y robustez, pero muestra una sensibilidad similar a la adsorción de gas como una única nanoestructura ".