Den senaste forskningen från en kemiingenjör från Kansas State University kan hjälpa till att förbättra fukt- och trycksensorer, särskilt de som används i yttre rymden.

Vikas Berry, William H. Honstead professor i kemiteknik, och hans forskargrupp använder grafenkvantprickar för att förbättra avkänningsanordningar i ett dubbelt projekt. Den första delen handlar om att producera grafenkvantprickarna, som är ultrasmå bitar av grafen. Grafen är ett enatoms tjockt ark av kolatomer och har överlägsen elektrisk, mekaniska och optiska egenskaper. Den andra delen av projektet involverar att införliva dessa kvantpunkter i elektrontunnelbaserade avkänningsenheter.

För att skapa grafenkvantprickarna, forskarna använde nanoskärning av grafit för att producera grafen nanoband. T.S. Sreeprasad, en postdoktor i Berrys grupp, kemiskt klyvde dessa band till 100 nanometer laterala dimensioner.

Forskarna satte ihop kvantprickarna till ett nätverk på en hydroskopisk mikrofiber som var fäst vid elektroder på sina två sidor. De placerade de sammansatta kvantprickarna mindre än en nanometer från varandra så att de inte var helt anslutna. Sammansättningen av prickar liknar en majskolvstruktur - majskärnorna är kvantprickar i nanoskala och kolven är mikrofibern.

Flera forskare – inklusive fyra 2012 alumner i kemiteknik:Augustus Graham, Alfredo A. Rodriguez, Jonathan Colston och Evgeniy Shishkin – applicerade en potential över fibern och kontrollerade avståndet mellan kvantprickarna genom att justera den lokala luftfuktigheten, vilket ändrar strömmen som flyter genom prickarna.

"Om du minskar luftfuktigheten runt den här enheten, vattnet som hålls av denna fiber går förlorat, " sa Berry. "Som ett resultat, fibern krymper och de grafiska komponenterna som finns ovanpå kommer nära varandra i nanometerskala. Detta ökar elektrontransporten från en punkt till nästa. Bara genom att läsa av strömmarna kan man se luftfuktigheten i miljön."

Att minska avståndet mellan grafenkvantprickarna med 0,35 nanometer ökade enhetens konduktivitet med 43 gånger, sa Berry. Vidare, eftersom luft innehåller vatten, att minska lufttrycket minskade dess vatteninnehåll och fick grafenkvantprickarna att komma närmare varandra, vilket ökade konduktiviteten. Kvantmekaniken antyder att elektroner har en ändlig sannolikhet att tunnla från en elektrod till en oansluten elektrod, sa Berry. Denna sannolikhet är omvänt och exponentiellt proportionell mot tunnelavståndet, eller mellanrummet mellan elektroderna.

Forskningen har många tillämpningar, särskilt för att förbättra sensorer för fuktighet, tryck eller temperatur.

"Dessa enheter är unika eftersom till skillnad från de flesta fuktsensorer, dessa är mer lyhörda i vakuum, " sa Berry. "Till exempel, dessa enheter kan integreras i rymdfärjor, där låg luftfuktighetsmätning krävs. Dessa sensorer kanske också kan upptäcka spårmängder vatten på Mars, som har 1/100 av jordens atmosfärstryck. Detta beror på att enheten mäter luftfuktighet med en mycket högre upplösning i vakuum."

Medan enhetens hjärta är moduleringen av elektrontunnling, enhetens svar är genom polymermikrofibern, sa Berry. Hans team tittar också på att ändra polymeren för att hitta andra tillämpningar för denna forskning.

"Om du ersätter denna polymer med en polymer som är känslig för andra stimuli, du kan göra en annan typ av sensor, " sa Berry. "Jag föreställer mig att det här projektet kommer att ha en bred inverkan på avkänning."

Forskningen stöds av Berrys femåriga, $400, 000 National Science Foundation CAREER award. Forskningsresultaten visas i ett färskt nummer av tidskriften Nanobokstäver i en artikel med titeln "Electron-tunneling modulering in percolating-network of graphene quantum dots:fabrication, fenomenologisk förståelse, och fukt-/tryckavkännande applikationer."

Berrys forskargrupp studerar också molekylära maskiner i gränssnitt med grafen. I det här arbetet, forskarna kan mekaniskt påverka molekylerna, som genomgår en förändring i det elektriska fältet runt dem och påverkar bärartätheten för det gränssnittsbundna grafenet. Detta arbete kommer att visas i ett kommande nummer av tidskriften Små i en artikel med titeln "Kovalent funktionalisering av dipolmodulerande molekyler på treskiktsgrafen:en väg för molekylära maskiner med grafengränssnitt."

Forskarna har funnit att grafen reagerar känsligt på molekylär rörelse. Phong Nguyen, en doktorand i kemiteknik och huvudförfattare till arbetet, kopplade aktiveringsmolekyler på grafen och mätte enhetens svar.

"Nästa vetenskapsfas bortom nanoteknik kommer att vara molekylär teknologi, "Sade Berry. "Vi arbetar med att utveckla vägar för att införliva molekylära maskiner i enheter."