Miljösensorer är ett steg närmare att samtidigt sniffa upp flera gaser som kan tyda på sjukdom eller förorening, tack vare ett Penn State-samarbete. Huanyu "Larry" Cheng, biträdande professor i ingenjörsvetenskap och mekanik vid College of Engineering, och Lauren Zarzar, biträdande professor i kemi vid Eberly College of Science, och deras team kombinerade laserskrivning och responsiva sensorteknologier för att tillverka den första mycket anpassningsbara mikroskalan gasavkänningsanordningar.

De publicerade sin teknik denna månad i ACS Applied Materials &Interfaces .

"Detekteringen av gaser är av avgörande betydelse för olika områden, inklusive föroreningsövervakning, allmän säkerhet och personlig hälsovård," sa Cheng. "För att fylla dessa behov måste avkänningsanordningar vara små, lätta, billiga och lätta att använda och applicera på olika miljöer och underlag, som kläder eller rör."

Enligt Cheng är utmaningen att skapa enheter med önskade egenskaper som fortfarande kan skräddarsys med den infrastruktur som behövs för exakt och exakt avkänning av olika målgaser samtidigt. Det är där Zarzars expertis med laserskrivning kommer in.

"Laserskrivtekniker ger designfrihet till ett brett spektrum av områden," sa Zarzar. "Att utöka vår förståelse för hur man direkt syntetiserar, mönstrar och integrerar nya material - särskilt nanomaterial och nanomaterialkompositer - i komplexa system kommer att tillåta oss att skapa allt mer sofistikerade och användbara avkänningsteknologier."

Hennes forskargrupp utvecklade den laserinducerade termiska voxelprocessen, som möjliggör samtidig skapande och integration av metalloxider direkt i sensorplattformar. Metalloxider är material som reagerar på olika föreningar och utlöser avkänningsmekanismen. Med laserskrivning löser forskarna metallsalter i vatten och fokuserar sedan lasern på lösningen. Den höga temperaturen bryter ner lösningen och lämnar kvar metalloxidnanopartiklar som kan sintras på sensorplattformen.

Processen effektiviserar tidigare metoder, som krävde en fördefinierad mask av det planerade mönstret. Alla ändringar eller justeringar krävde skapandet av en ny mask – vilket kostade tid och pengar. Laserskrivning är "maskfri", enligt Zarzar, och, i kombination med den termiska voxelprocessen, möjliggör den snabb iteration och testning av flera mönster eller material för att hitta de mest effektiva kombinationerna.

"Exakt mönstring är också en nödvändig komponent för att skapa "elektroniska näsor" eller uppsättningar av sensorer som fungerar som en näsa och exakt kan detektera flera gaser samtidigt, säger Alexander Castonguay, doktorand i kemi och co-first. författare på tidningen. "En sådan exakt detektering kräver mönstring av olika material i omedelbar närhet, i den tunnaste mikroskala. Få mönstringstekniker har upplösningen för att göra detta, men tillvägagångssättet som beskrivs i denna studie gör det. Vi planerar att använda de tekniker och material som beskrivs här för att utveckla elektroniska näsprototyper."

Forskarna testade fem olika metaller och metallkombinationer som för närvarande används i sensorer. Enligt Castonguay odlar punkten där olika metalloxider berör, kallad heterojunction, en unik miljö vid gränssnittet mellan de två materialen som förbättrar responsen hos gassensorer. Teamet fann att en heterojunction av kopparoxid och zinkoxid har ett fem till 20-faldigt förbättrat svar på de testade gaserna - etanol, aceton, kvävedioxid, ammoniak och vätesulfid - över bara kopparoxid.

"Detta fynd stöder andra rapporter i den vetenskapliga litteraturen om att skapandet av blandade oxidsystem kan leda till betydande ökningar av sensorsvar och visar effektiviteten av den laserinducerade termiska voxeltekniken för tillverkning av blandoxidgassensorer," sa Castonguay. "Vi hoppas att vi kan utöka våra möjligheter för att skapa nya, anpassningsbara sensorer genom att kombinera laserskrivkunskapen från Zarzar-gruppen med Cheng-gruppens expertis för bärbara sensorer." + Utforska vidare

Nya sensorer för andningsgas kan förbättra övervakningen av hälsa, miljö