Nye billige, holdbare kulstof nanorør sensorer kan ætses med mekaniske blyanter.
Carbon nanorubs tilbyder en kraftfuld ny måde at registrere skadelige gasser i miljøet. Imidlertid er de metoder, der typisk anvendes til at opbygge carbon nanotube sensorer, farlige og er ikke velegnede til storstilet produktion.
MIT-kemikere designet en ny type blyant bly bestående af carbon nanorør, så de kunne trække carbon nanorør sensorer på ark. Billedkredit: Jan Schnorr
En ny fremstillingsmetode oprettet af MIT-kemikere - så enkel som at tegne en linje på et ark papir - kan overvinde denne hindring. MIT postdoc Katherine Mirica har designet en ny type blyant bly, hvor grafit erstattes med et komprimeret pulver af carbon nanorør. Ledningen, der kan bruges med en almindelig mekanisk blyant, kan indskrive sensorer på enhver papiroverflade.
Sensoren, der er beskrevet i tidsskriftet Angewandte Chemie, registrerer små mængder ammoniakgas, en industriel fare. Timothy Swager, John D. MacArthur-professor i kemi og leder af forskerteamet, siger, at sensorerne kunne tilpasses til at detektere næsten enhver type gas.
”Det fine med dette er, at vi kan begynde at lave alle slags kemisk specifikke funktionaliserede materialer,” siger Swager. ”Vi tror, vi kan lave sensorer til næsten alt, hvad der er ustabilt.”
Andre forfattere af papiret er kandidatstuderende Jonathan Weis og postdokumenter Jan Schnorr og Birgit Esser.
Blyant det ind
Carbon-nanorør er lag af carbonatomer, der rulles ind i cylindre, der tillader elektroner at strømme uhindret. Sådanne materialer har vist sig at være effektive sensorer for mange gasser, der binder til nanorørene og hindrer elektronstrømmen. At skabe disse sensorer kræver dog opløsning af nanorør i et opløsningsmiddel, såsom dichlorbenzen, ved anvendelse af en proces, der kan være farlig og upålidelig.
Swager og Mirica begyndte at skabe en opløsningsmiddelfri fremstillingsmetode baseret på papir. Inspireret af blyanter på hendes skrivebord havde Mirica ideen om at komprimere carbon nanorør til et grafitlignende materiale, der kunne erstatte blyant bly.
For at skabe sensorer ved hjælp af deres blyant, tegner forskerne en linje af kulstofnanorør på et ark papir imiteret med små elektroder lavet af guld. De påfører derefter en elektrisk strøm og måler strømmen, når den strømmer gennem carbon nanorørstrimlen, der fungerer som en modstand. Hvis strømmen ændres, betyder det, at gas er bundet til kulstofnanorørene.
Forskerne testede deres enhed på flere forskellige papirtyper og fandt, at den bedste respons kom med sensorer, der er trukket på glattere papirer. De fandt også, at sensorerne giver ensartede resultater, selv når mærkerne ikke er ensartede.
To store fordele ved teknikken er, at den er billig, og ”blyantledningen” er ekstremt stabil, siger Swager. ”Du kan ikke forestille dig en mere stabil formulering. Molekylerne er immobiliserede, ”siger han.
Den nye sensor kan vise sig at være nyttig til forskellige applikationer, siger Zhenan Bao, lektor i kemiteknik ved Stanford University. ”Jeg kan allerede tænke på mange måder, denne teknik kan udvides til at opbygge carbon nanotube-enheder,” siger Bao, der ikke var en del af forskerteamet. "Sammenlignet med andre typiske teknikker, såsom spincoating, dipcoating eller inkjet-indsprøjtning, er jeg imponeret over den gode reproducerbarhed ved at føle respons, de var i stand til at få."
Sensorer til enhver gas
I denne undersøgelse fokuserede forskerne på rene kulstofnanorør, men de arbejder nu med at skræddersy sensorerne til at detektere en lang række gasser. Selektiviteten kan ændres ved at tilføje metalatomer til nanorørvæggene eller ved at indpakke polymerer eller andre materialer rundt om rørene.
En gas, som forskerne er særligt interesseret i, er ethylen, som ville være nyttigt til at overvåge modenheden af frugt, når den sendes og opbevares. Holdet forfølger også sensorer for svovlforbindelser, hvilket kan være nyttigt til at opdage lækager af naturgas.
Via MIT News