Ultrakänsliga gassensorer baserade på infusion av boratomer i grafen - en tätt bunden matris av kolatomer - kan snart vara möjliga, enligt ett internationellt team av forskare från sex länder.

Grafen är känt för sin anmärkningsvärda styrka och förmåga att transportera elektroner i hög hastighet, men det är också en mycket känslig gassensor. Med tillägg av boratomer, bor-grafensensorerna kunde detektera skadliga gasmolekyler i extremt låga koncentrationer, miljondelar när det gäller kväveoxider och miljondelar för ammoniak, de två gaserna som hittills testats. Detta översätts till en 27 gånger högre känslighet för kväveoxider och 10, 000 gånger större känslighet för ammoniak jämfört med orörd grafen. Forskarna tror att dessa resultat, rapporteras idag (2 november) i Proceedings of the National Academy of Sciences , kommer att öppna en väg till högpresterande sensorer som kan upptäcka spårmängder av många andra molekyler.

"Det här är ett projekt som vi har drivit de senaste fyra åren, sa Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi och materialvetenskap vid Penn State. "Vi kunde tidigare dopa grafen med kväveatomer, men bor visade sig vara mycket svårare. När vi väl kunde syntetisera vad vi trodde var borgrafen, vi samarbetade med experter i USA och runt om i världen för att bekräfta vår forskning och testa egenskaperna hos vårt material."

Både bor och kväve ligger bredvid kol i det periodiska systemet, göra deras ersättning möjlig. Men borföreningar är mycket luftkänsliga och sönderdelas snabbt när de utsätts för atmosfären. En-centimeter-kvadratark syntetiserades i Penn State i ett unikt bubblare-assisterat kemiskt ångavsättningssystem. Resultatet blev stort område, högkvalitativa bordopade grafenark.

När den väl är tillverkad, forskarna skickade borgrafenprover till forskare vid Honda Research Institute USA Inc., Columbus, Ohio, som testade proverna mot sina egna mycket känsliga gassensorer. Konstantin Novoselovs labb vid University of Manchester, STORBRITANNIEN, studerade sensorernas transportmekanism. Novoselov var 2010 års Nobelpristagare i fysik. Teorisamarbetspartners i USA och Belgien matchade scanningstunnelmikroskopbilderna med experimentella bilder, bekräftade närvaron av boratomer i grafengittret och deras effekt när de interagerar med ammoniak- eller kväveoxidmolekyler. Samarbetspartners i Japan och Kina bidrog också till forskningen.

"Denna tvärvetenskapliga forskning banar en ny väg för ytterligare utforskning av ultrakänsliga gassensorer, " sa Avetik Harutyunyan, chefsforskare och projektledare vid Honda Research Institute USA Inc. "Vårt tillvägagångssätt kombinerar nya nanomaterial med kontinuerlig ultraviolett ljusstrålning i sensordesignen som har utvecklats i vårt laboratorium av ledande forskare Dr. Gugang Chen under de senaste fem åren. Vi tror att ytterligare utveckling av denna teknik kan bryta detekteringsgränsen för delar per kvadrillion, vilket är upp till sex storleksordningar bättre känslighet än nuvarande toppmoderna sensorer."

Dessa sensorer kan användas för labb och industrier som använder ammoniak, en mycket frätande hälsorisk, eller för att detektera kväveoxider, en farlig atmosfärisk förorening som släpps ut från bilavgasrör. Förutom att upptäcka giftiga eller brandfarliga gaser, teoretiskt arbete indikerar att borodopad grafen kan leda till förbättrade litiumjonbatterier och fälteffekttransistorer, rapporterar författarna.