Ett team av forskare vid New York University Tandon School of Engineering och NYU Center for Neural Science har löst ett långvarigt pussel om hur man bygger ultrakänsliga, ultrasmå elektrokemiska sensorer med homogena och förutsägbara egenskaper genom att upptäcka hur man konstruerar grafenstruktur på atomnivå.

Finjusterade elektrokemiska sensorer (även kallade elektroder) som är så små som biologiska celler är prisade för medicinsk diagnostik och miljöövervakningssystem. Efterfrågan har stimulerat ansträngningar att utveckla nanokonstruerade kolbaserade elektroder, som erbjuder oöverträffad elektronisk, termisk, och mekaniska egenskaper. Ändå har dessa ansträngningar länge hindrats av bristen på kvantitativa principer för att vägleda den exakta konstruktionen av elektrodens känslighet för biokemiska molekyler.

Davood Shahrjerdi, en biträdande professor i el- och datateknik vid NYU Tandon, och Roozbeh Kiani, en biträdande professor i neurovetenskap och psykologi vid Center for Neural Science, Filosofiska fakulteten, har avslöjat sambandet mellan olika strukturella defekter i grafen och känsligheten hos elektroderna som är gjorda av det. Denna upptäckt öppnar dörren för exakt ingenjörskonst och produktion i industriell skala av homogena uppsättningar av grafenelektroder. Forskarna beskriver sin studie i en artikel som publicerades i dag i tidskriften Avancerade material .

Grafen är en singel, atomtunna skivor av kol. Det finns en traditionell konsensus om att strukturella defekter i grafen i allmänhet kan öka känsligheten hos elektroder som är konstruerade av den. Dock, en fast förståelse för sambandet mellan olika strukturella defekter och känsligheten har länge gäckat forskare. Denna information är särskilt viktig för att justera densiteten hos olika defekter i grafen för att uppnå en önskad känslighetsnivå.

"Tills nu, att uppnå en önskad känslighetseffekt var besläktad med voodoo eller alkemi - ofta, vi var inte säkra på varför ett visst tillvägagångssätt gav en mer eller mindre känslig elektrod, ", sa Shahrjerdi. "Genom att systematiskt studera inverkan av olika typer och tätheter av materialdefekter på elektrodens känslighet, vi skapade en fysikbaserad mikroskopisk modell som ersätter vidskepelse med vetenskaplig insikt."

I ett överraskande fynd, forskarna upptäckte att endast en grupp av defekter i grafens struktur - punktdefekter - påverkar elektrodernas känslighet signifikant, som ökar linjärt med medeldensiteten av dessa defekter, inom ett visst intervall. "Om vi ​​optimerar dessa punktdefekter i antal och täthet, vi kan skapa en elektrod som är upp till 20 gånger känsligare än konventionella elektroder, " förklarade Kiani.

Dessa fynd kommer att påverka både tillverkningen av och applikationerna för grafenbaserade elektroder. Dagens kolbaserade elektroder är kalibrerade för känslighet efter tillverkning, en tidskrävande process som hämmar storskalig produktion, men forskarnas resultat kommer att möjliggöra den exakta konstruktionen av känsligheten under materialsyntesen, därigenom möjliggör industriell skala produktion av kolbaserade elektroder med pålitlig och reproducerbar känslighet.

För närvarande, Kolbaserade elektroder är opraktiska för alla applikationer som kräver en tät uppsättning sensorer:Resultaten är otillförlitliga på grund av stora variationer av elektrod-till-elektrod-känsligheten inom matrisen. Dessa nya rön kommer att möjliggöra användningen av ultrasmå kolbaserade elektroder med homogena och utomordentligt höga känsligheter i nästa generations neurala sonder och multiplexerade "lab-on-a-chip"-plattformar för medicinsk diagnostik och läkemedelsutveckling, och de kan ersätta optiska metoder för att mäta biologiska prover inklusive DNA.