(PhysOrg.com) -- En ny studie från Rensselaer Polytechnic Institute visar hur grafenskum kan överträffa ledande kommersiella gassensorer när det gäller att upptäcka potentiellt farliga och explosiva kemikalier. Upptäckten öppnar dörren för en ny generation gassensorer som kan användas av bombgrupper, brottsbekämpande tjänstemän, försvarsorganisationer, och i olika industriella miljöer.

Den nya sensorn mätte framgångsrikt och upprepade gånger ammoniak (NH3) och kvävedioxid (NO2) i koncentrationer så små som 20 delar per miljon. Tillverkad av kontinuerliga grafen nanoark som växer till en skumliknande struktur ungefär lika stor som ett frimärke och filttjocklek, sensorn är flexibel, oländig, och slutligen övervinner de brister som har hindrat nanostrukturbaserade gasdetektorer från att nå marknaden.

Resultaten av studien publicerades idag i tidskriften Vetenskapliga rapporter , utgiven av Nature Publishing Group. Se tidningen, med titeln "Gasdetektion med hög känslighet med hjälp av ett makroskopiskt tredimensionellt grafenskumnätverk."

"Vi är mycket glada över denna nya upptäckt, som vi tror kan leda till nya kommersiella gassensorer, " sa Rensselaer ingenjörsprofessor Nikhil Koratkar, som ledde studien tillsammans med professor Hui-Ming Cheng vid Shenyang National Laboratory for Materials Science vid Chinese Academy of Sciences. "Än så länge, sensorerna har visat sig vara betydligt känsligare för att detektera ammoniak och kvävedioxid vid rumstemperatur än de kommersiella gasdetektorerna på marknaden idag.”

Under det senaste decenniet har forskare visat att enskilda nanostrukturer är extremt känsliga för kemikalier och olika gaser. För att bygga och driva en enhet med en individuell nanostruktur för gasdetektering, dock, har visat sig vara alldeles för komplex, dyr, och opålitlig för att vara kommersiellt gångbar, sa Koratkar. En sådan strävan skulle innebära att skapa och manipulera positionen för den individuella nanostrukturen, lokalisera den med hjälp av mikroskopi, använda litografi för att applicera guldkontakter, följt av andra långsamma, kostsamma steg. Inbäddad i en handhållen enhet, en sådan enskild nanostruktur kan lätt skadas och göras obrukbar. Dessutom, det kan vara utmanande att "rena" den detekterade gasen från den enda nanostrukturen.

Den nya frimärksstora strukturen utvecklad av Koratkar har alla samma attraktiva egenskaper som en individuell nanostruktur, men är mycket lättare att arbeta med på grund av dess stora, makroskala storlek. Koratkars medarbetare vid den kinesiska vetenskapsakademin odlade grafen på en struktur av nickelskum. Efter att ha tagit bort nickelskummet, vad som finns kvar är en stor, fristående nätverk av skumliknande grafen. I huvudsak ett enda lager av grafit som vanligtvis finns i våra pennor eller kolet vi bränner på våra grillar, grafen är ett atomtjockt ark av kolatomer arrangerade som ett nanoskala hönsnätsstängsel. Väggarna på den skumliknande grafensensorn består av kontinuerliga grafenark utan några fysiska brott eller gränssnitt mellan arken.

Koartkar och hans elever utvecklade idén att använda denna grafenskumstruktur som en gasdetektor. Som ett resultat av att grafenskummet exponeras för luft förorenad med spårmängder av ammoniak eller kvävedioxid, forskarna fann att gaspartiklarna fastnade, eller adsorberas, till skumytan. Denna förändring i ytkemi har en tydlig inverkan på grafenens elektriska motstånd. Att mäta denna förändring i motstånd är den mekanism med vilken sensorn kan detektera olika gaser.

Dessutom, grafenskumgasdetektorn är mycket bekväm att rengöra. Genom att applicera en ~100 milliampereström genom grafenstrukturen, Koratkars team kunde värma grafenskummet tillräckligt för att lossa, eller desorbera, alla adsorberade gaspartiklar. Denna rengöringsmekanism har ingen inverkan på grafenskummets förmåga att upptäcka gaser, vilket innebär att detekteringsprocessen är helt reversibel och en enhet baserad på den här nya tekniken skulle vara lågeffekt – inget behov av externa värmare för att rengöra skummet – och återanvändbar.

Koratkar valde ammoniak som testgas för att demonstrera proof-of-conceptet för denna nya detektor. Ammoniumnitrat finns i många sprängämnen och är känt för att gradvis bryta ner och frigöra spårmängder av ammoniak. Som ett resultat, ammoniakdetektorer används ofta för att testa förekomsten av ett sprängämne. En giftig gas, ammoniak används också i en mängd olika industriella och medicinska processer, för vilka detektorer är nödvändiga för att övervaka för läckor.

Resultaten av studien visar att den nya grafenskumstrukturen upptäckte ammoniak vid 1, 000 delar per miljon på 5 till 10 minuter vid rumstemperatur och atmosfärstryck. Den åtföljande förändringen i grafenens elektriska motstånd var cirka 30 procent. Detta jämfördes positivt med kommersiellt tillgängliga ledande polymersensorer, som genomgår en 30-procentig motståndsförändring på 5 till 10 minuter när de utsätts för 10, 000 delar per miljon ammoniak. I samma tidsram och med samma förändring i motstånd, grafenskumdetektorn var 10 gånger så känslig. Grafenskumdetektorns känslighet är effektiv ner till 20 delar per miljon, mycket lägre än de kommersiellt tillgängliga enheterna. Dessutom, många av de kommersiellt tillgängliga enheterna kräver hög strömförbrukning eftersom de ger tillräcklig känslighet endast vid höga temperaturer, medan grafenskumdetektorn arbetar vid rumstemperatur.

Koratkars team använde kvävedioxid som den andra testgasen. Olika sprängämnen inklusive nitrocellulosa bryts gradvis ned, och är kända för att producera kvävedioxidgas som en biprodukt. Som ett resultat, kvävedioxid används också som markör vid testning av sprängämnen. Dessutom, kvävedioxid är en vanlig förorening som finns i förbränning och bilutsläpp. Många olika miljöövervakningssystem har kvävedioxiddetektering i realtid.

Den nya grafenskumsensorn upptäckte kvävedioxid vid 100 delar per miljon med en 10-procentig motståndsförändring på 5 till 10 minuter vid rumstemperatur och atmosfärstryck. Den visade sig vara 10 gånger känsligare än kommersiellt ledande polymersensorer, som vanligtvis detekterar kvävedioxid vid 1, 000 miljondelar på samma tid och med samma motståndchans vid rumstemperatur. Andra kvävedioxiddetektorer som finns tillgängliga idag kräver hög strömförbrukning och höga temperaturer för att ge tillräcklig känslighet. Grafenskumsensorn kan detektera kvävedioxid ner till 20 miljondelar vid rumstemperatur.

"Vi ser detta som den första praktiska nanostrukturbaserade gasdetektorn som är lönsam för kommersialisering, sa Koratkar, en professor vid institutionen för mekaniska, Aerospace, och kärnteknik vid Rensselaer. "Våra resultat visar att grafenskummet kan detektera ammoniak och kvävedioxid i en koncentration som är en storleksordning lägre än kommersiella gasdetektorer på marknaden idag."

Grafenskummet kan konstrueras för att detektera många olika gaser utöver ammoniak och kvävedioxid, han sa.

Studier har visat den elektriska ledningsförmågan hos ett individuellt nanorör, nanotråd, eller grafenplåt är akut känslig för gasadsorbtion. Men den lilla storleken på individuella nanostrukturer gjorde det kostsamt och utmanande att utvecklas till en enhet, plus att strukturerna är känsliga och ofta inte ger konsekventa resultat.

Den nya grafenskumgassensorn övervinner dessa utmaningar. Den är lätt att hantera och manipulera på grund av dess stora, makroskala storlek. Sensorn är också flexibel, oländig, och robust nog att hantera slitage inuti en enhet. Plus att den är helt vändbar, och resultaten den ger är konsekventa och repeterbara. Viktigast av allt, grafenskummet är mycket känsligt, tack vare dess 3-D, porös struktur som gör att gaser lätt kan adsorberas till dess enorma yta. Trots sin stora storlek, grafenskumstrukturen fungerar i huvudsak som en enda nanostruktur. Det finns inga avbrott i grafennätverket, vilket innebär att det inte finns några gränssnitt att övervinna, och elektroner flödar fritt med lite motstånd. Detta ökar skummets känslighet för gaser.

"På sätt och vis har vi övervunnit nanoteknologins akilleshäl för kemisk avkänning, sa Koratkar. "En enda nanostruktur fungerar utmärkt, men betyder inte mycket när den används i en riktig enhet i den verkliga världen. När du försöker skala upp den till proportioner i makroskala, gränssnitten besegrar det du försöker åstadkomma, eftersom nanostrukturens egenskaper domineras av gränssnitt. Nu kan vi skala upp grafen på ett sätt så att gränssnitten inte är närvarande. Detta gör att vi kan dra fördel av nanostrukturens inneboende egenskaper, ändå arbeta med en makroskopisk struktur som ger oss repeterbarhet, pålitlighet, och robusthet, men visar liknande känslighet för gasadsorbtion som en enda nanostruktur."