La última investigación de un ingeniero químico de la Universidad Estatal de Kansas puede ayudar a mejorar los sensores de humedad y presión, particularmente los que se utilizan en el espacio ultraterrestre.

Vikas Berry, Profesor William H. Honstead de ingeniería química, y su equipo de investigación están utilizando puntos cuánticos de grafeno para mejorar los dispositivos de detección en un proyecto doble. La primera parte consiste en producir los puntos cuánticos de grafeno, que son piezas ultrapequeñas de grafeno. El grafeno es una hoja gruesa de átomos de carbono de un solo átomo y tiene una capacidad eléctrica superior, propiedades mecánicas y ópticas. La segunda parte del proyecto implica la incorporación de estos puntos cuánticos en dispositivos de detección basados ​​en túnel de electrones.

Para crear los puntos cuánticos de grafeno, los investigadores utilizaron el corte a nanoescala de grafito para producir nanocintas de grafeno. T.S. Sreeprasad, investigador postdoctoral en el grupo de Berry, cortó químicamente estas cintas en dimensiones laterales de 100 nanómetros.

Los científicos ensamblaron los puntos cuánticos en una red en una microfibra hidroscópica que estaba unida a electrodos en sus dos lados. Colocaron los puntos cuánticos ensamblados a menos de un nanómetro de distancia para que no estuvieran completamente conectados. El ensamblaje de puntos es similar a la estructura de una mazorca de maíz:los granos de maíz son puntos cuánticos a nanoescala y la mazorca es la microfibra.

Varios investigadores, incluidos cuatro alumnos de 2012 en ingeniería química:Augustus Graham, Alfredo A. Rodríguez, Jonathan Colston y Evgeniy Shishkin:aplicaron un potencial a través de la fibra y controlaron la distancia entre los puntos cuánticos ajustando la humedad local. que cambia la corriente que fluye a través de los puntos.

"Si reduce la humedad alrededor de este dispositivo, el agua retenida por esta fibra se pierde, ", Dijo Berry." Como resultado, la fibra se contrae y los componentes grafénicos que residen encima se acercan entre sí en una escala nanométrica. Esto aumenta el transporte de electrones de un punto al siguiente. Con sólo leer las corrientes se puede saber la humedad del ambiente ".

Disminuir la distancia entre los puntos cuánticos de grafeno en 0,35 nanómetros aumentó la conductividad del dispositivo en 43 veces, Berry dijo. Es más, porque el aire contiene agua, la reducción de la presión del aire disminuyó su contenido de agua y provocó que los puntos cuánticos de grafeno se acercaran, que aumentó la conductividad. La mecánica cuántica sugiere que los electrones tienen una probabilidad finita de hacer un túnel desde un electrodo a un electrodo no conectado, Berry dijo. Esta probabilidad es inversa y exponencialmente proporcional a la distancia de túnel, o el espacio entre los electrodos.

La investigación tiene numerosas aplicaciones, particularmente en la mejora de los sensores de humedad, presión o temperatura.

"Estos dispositivos son únicos porque, a diferencia de la mayoría de los sensores de humedad, estos responden mejor en el vacío, "Berry dijo". Por ejemplo, estos dispositivos se pueden incorporar en transbordadores espaciales, donde se requieran mediciones de baja humedad. Estos sensores también podrían detectar trazas de agua en Marte, que tiene 1/100 de la presión atmosférica de la tierra. Esto se debe a que el dispositivo mide la humedad con una resolución mucho más alta en el vacío ".

Si bien el corazón del dispositivo es la modulación del túnel de electrones, la respuesta del dispositivo es a través de la microfibra polimérica, Berry dijo. Su equipo también está buscando cambiar el polímero para encontrar otras aplicaciones para esta investigación.

"Si reemplaza este polímero con un polímero que responde a otros estímulos, puedes hacer un tipo diferente de sensor, ", Dijo Berry." Imagino que este proyecto tendrá un amplio impacto en la detección ".

La investigación está respaldada por los cinco años de Berry, $ 400, 000 Premio CARRERA de la Fundación Nacional de Ciencias. Los resultados de la investigación aparecen en un número reciente de la revista Nano letras en un artículo titulado "Modulación de túnel de electrones en la red de filtración de puntos cuánticos de grafeno:fabricación, comprensión fenomenológica, y aplicaciones de detección de humedad / presión ".

El equipo de investigación de Berry también está estudiando máquinas moleculares interconectadas con grafeno. En este trabajo, los investigadores pueden accionar mecánicamente las moléculas, que experimentan un cambio en el campo eléctrico a su alrededor e influyen en la densidad de portadores del grafeno interconectado. Este trabajo aparecerá en un próximo número de la revista. Pequeña en un artículo titulado "Funcionalización covalente de moléculas moduladoras de dipolos en grafeno de tres capas:una vía para las máquinas moleculares interconectadas con grafeno".

Los investigadores han descubierto que el grafeno responde de forma sensible al movimiento molecular. Phong Nguyen, estudiante de doctorado en ingeniería química y autor principal del trabajo, ató moléculas actuantes en grafeno y midió la respuesta del dispositivo.

"La siguiente fase de la ciencia más allá de la nanotecnología será la tecnología molecular, ", Dijo Berry." Estamos trabajando en el desarrollo de rutas para incorporar máquinas moleculares en los dispositivos ".