Los investigadores han descubierto una forma de crear un sensor químico altamente sensible basado en los defectos cristalinos de las láminas de grafeno. Las imperfecciones tienen propiedades electrónicas únicas que los investigadores pudieron aprovechar para aumentar 300 veces la sensibilidad a las moléculas de gas absorbidas.

El estudio está disponible en línea antes de la impresión en Comunicaciones de la naturaleza .

Amin Salehi- Khojin, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial en el laboratorio con Mohammad Asadi, estudiante de posgrado y Bijandra Kumar, post doc donde están investigando en sensores de grafeno. Foto:Roberta Dupuis-Devlin / UIC Photo Services

Cuando se forma una celosía u hoja de grafeno, su estructura policristalina tiene límites aleatorios entre los granos monocristalinos. Las propiedades de la celosía se ven afectadas significativamente por estos "límites de grano, "dijo Amin Salehi-Khojin, Profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial de la UIC e investigador principal del estudio.

En muchas aplicaciones, los límites de los granos se consideran fallas porque dispersan electrones y pueden debilitar la red. Pero Salehi-Khojin y sus colegas demostraron que estas imperfecciones son importantes para el funcionamiento de los sensores de gas basados ​​en grafeno. Crearon un tamaño de micrón, límite de grano de grafeno individual para sondear sus propiedades electrónicas y estudiar su papel en la detección de gases.

Su primer descubrimiento fue que las moléculas de gas son atraídas hacia el límite del grano y se acumulan allí. en lugar de en el cristal de grafeno, lo que lo convierte en el lugar ideal para detectar moléculas de gas. Las propiedades eléctricas de un límite de grano atraen moléculas a su superficie.

Un grupo de química teórica en la UIC, dirigido por Petr Kral, pudo explicar esta atracción y las propiedades electrónicas adicionales del límite de grano. La naturaleza irregular del límite del grano produce cientos de huecos de transporte de electrones con diferentes sensibilidades.

"Es como si tuviéramos varios conmutadores en paralelo, "dijo el estudiante de posgrado Poya Yasaei, primer autor del artículo. "Las moléculas de gas se acumulan en el límite del grano; hay una transferencia de carga; y, porque estos canales están todos en paralelo, todos los canales se abren o cierran bruscamente. Vemos una respuesta muy aguda ".

Los investigadores han estado tratando de desarrollar un sensor robusto y altamente sensible durante décadas, dijo el becario postdoctoral de la UIC Bijandra Kumar, un coautor del artículo.

"Podemos sintetizar estos límites de grano en una escala micrométrica de forma controlada, ", Dijo Kumar." Podemos fabricar fácilmente matrices de sensores a escala de chip utilizando estos límites de grano para uso en el mundo real ".

Salehi-Khojin dijo que debería ser posible "sintonizar" las propiedades electrónicas de las matrices de límites de grano de grafeno utilizando el dopaje controlado para obtener una respuesta de huellas dactilares, creando así una "nariz electrónica" confiable y estable.

Con la fuerte atracción del límite del grano por las moléculas de gas y la respuesta extraordinariamente aguda a cualquier transferencia de carga, tal nariz electrónica podría detectar incluso una sola molécula de gas, Salehi-Khojin cree, y sería un sensor ideal.