Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York y el Centro de Ciencias Neuronales de la Universidad de Nueva York ha resuelto un enigma de larga data sobre cómo construir ultrasensibles, Sensores electroquímicos ultrapequeños con propiedades homogéneas y predecibles al descubrir cómo diseñar la estructura del grafeno a nivel atómico.

Los sensores electroquímicos finamente ajustados (también denominados electrodos) que son tan pequeños como células biológicas son muy apreciados para los sistemas de diagnóstico médico y monitoreo ambiental. La demanda ha estimulado los esfuerzos para desarrollar electrodos basados ​​en carbono de nanoingeniería, que ofrecen electrónica incomparable, térmico, y propiedades mecánicas. Sin embargo, estos esfuerzos se han visto obstaculizados durante mucho tiempo por la falta de principios cuantitativos para guiar la ingeniería precisa de la sensibilidad del electrodo a las moléculas bioquímicas.

Davood Shahrjerdi, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en NYU Tandon, y Roozbeh Kiani, profesor asistente de ciencia neuronal y psicología en el Center for Neural Science, Facultad de Artes y Ciencias, han revelado la relación entre varios defectos estructurales en el grafeno y la sensibilidad de los electrodos hechos de él. Este descubrimiento abre la puerta a la ingeniería precisa y la producción a escala industrial de matrices homogéneas de electrodos de grafeno. Los investigadores detallan su estudio en un artículo publicado hoy en la revista Materiales avanzados .

El grafeno es un solo, hoja de carbono delgadas como un átomo. Existe un consenso tradicional de que los defectos estructurales en el grafeno generalmente pueden mejorar la sensibilidad de los electrodos construidos a partir de él. Sin embargo, una comprensión firme de la relación entre varios defectos estructurales y la sensibilidad ha eludido a los investigadores durante mucho tiempo. Esta información es particularmente vital para ajustar la densidad de diferentes defectos en el grafeno con el fin de lograr el nivel deseado de sensibilidad.

"Hasta ahora, lograr un efecto de sensibilidad deseado era similar al vudú o la alquimia; a menudo, no estábamos seguros de por qué un determinado enfoque produjo un electrodo más o menos sensible, ", Dijo Shahrjerdi." Al estudiar sistemáticamente la influencia de varios tipos y densidades de defectos materiales en la sensibilidad del electrodo, Creamos un modelo microscópico basado en la física que reemplaza la superstición con conocimiento científico ".

En un hallazgo sorpresa los investigadores descubrieron que solo un grupo de defectos en la estructura del grafeno, defectos puntuales, impacta significativamente la sensibilidad del electrodo, que aumenta linealmente con la densidad media de estos defectos, dentro de un cierto rango. "Si optimizamos estos defectos puntuales en número y densidad, podemos crear un electrodo que sea hasta 20 veces más sensible que los electrodos convencionales, "Explicó Kiani.

Estos hallazgos pueden tener un impacto tanto en la fabricación como en las aplicaciones de electrodos basados ​​en grafeno. Los electrodos de carbono de hoy en día están calibrados para la sensibilidad posterior a la fabricación, un proceso lento que dificulta la producción a gran escala, pero los hallazgos de los investigadores permitirán la ingeniería precisa de la sensibilidad durante la síntesis del material, permitiendo así la producción a escala industrial de electrodos a base de carbono con una sensibilidad fiable y reproducible.

En la actualidad, Los electrodos a base de carbono no son prácticos para cualquier aplicación que requiera una matriz densa de sensores:los resultados no son confiables debido a las grandes variaciones de la sensibilidad de electrodo a electrodo dentro de la matriz. Estos nuevos hallazgos permitirán el uso de electrodos ultrapequeños a base de carbono con sensibilidades homogéneas y extraordinariamente altas en sondas neuronales de próxima generación y plataformas multiplexadas de "laboratorio en un chip" para el diagnóstico médico y el desarrollo de fármacos. y pueden reemplazar los métodos ópticos para medir muestras biológicas, incluido el ADN.