Uma equipe interdisciplinar de cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) demonstrou que os Dichalcogenetos de Metal de Transição 2-D (TMDs) - semicondutores anatomicamente finos - sofrem uma mudança de fase semicondutor para fase metálica quando expostos a vapores químicos aerotransportados.

A equipe validou evidências ópticas e eletrônicas da transição de fase e como o comportamento pode ser usado para criar uma classe inteiramente nova de sensores de vapor químico. Esta nova classe de instrumentos é potencialmente mais sensível do que os modelos atuais de última geração, e seletiva para agentes nervosos específicos e compostos explosivos que são de grande preocupação nos campos de batalha de hoje.

Desde a descoberta em 2004-2005 que os filmes monocamada única de TMDs podem ser isolados de materiais a granel devido à fraca ligação intercamada de átomos, conhecido como ligação de van der Waals, esses materiais continuam a revelar novos e notáveis ​​comportamentos e propriedades.

"Esses materiais são extremamente promissores para aplicações de detecção de vapor químico porque a espessura inerente de poucos átomos do material aumenta muito sua sensibilidade até mesmo ao menor distúrbio de superfície, "disse o Dr. Adam L. Friedman, físico pesquisador, Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais. “Além do interesse imediato pela pesquisa básica, como este método particular de criação de transição de fase em TMDs nunca foi observado ou explorado antes, tem grande potencial de aplicação em um novo tipo de baseado em fase, sensor multifuncional de vapor químico. "

Os TMDs de monocamada oferecem possíveis avanços na tecnologia em relação aos modelos de materiais atuais, que pavimentam o caminho para produtos baratos, flexível, dispositivos de alto desempenho que exploram sua funcionalidade exclusiva dominada pela superfície.

Abreviado quimicamente como MX2, onde M é um metal de transição e X é um calocogênio, os TMDs de monocamada incluem isoladores, semicondutores, metais e outros tipos de materiais, e incluem uma variedade de propriedades não observadas em seus equivalentes de material a granel. Certos filmes respondem seletivamente por meio de um processo de transferência de carga a uma classe de analitos que inclui agentes nervosos, como o agente venenoso X (VX), Uma quantidade microscópica de analito na superfície do TMD atua como um doador de elétrons e agente redutor local, o que afeta de forma mensurável a condutância do filme.

A equipe do NRL formulou a hipótese de que certos analitos químicos fortes doadores de elétrons, como aqueles relevantes para detectar certos agentes nervosos e explosivos, também pode fornecer transferência de carga suficiente para o TMD para obter uma mudança de fase. Para testar sua hipótese, os pesquisadores expuseram filmes de TMD em monocamada a analitos de vapor químico fortes doadores de elétrons e monitoraram sua condutância e resposta óptica. Eles descobriram que a resposta de condutância de seus dispositivos cessou após exposição moderada e a magnitude geral da condutância aumentou abruptamente de forma significativa naquele momento, que sinalizou uma mudança de fase. A resposta óptica também corroborou uma mudança de fase.

Friedman disse, "Reunimos um conjunto de dados excepcionalmente grande que incluía vários métodos de medição desses tipos de filmes e concluímos que o comportamento que observamos não é devido ao doping e é mais provavelmente devido ao parcial, mudanças de fase localizadas nas áreas do filme TMD onde o analito fracamente adsorvido transfere carga para a rede. "

Este comportamento recém-descoberto abre uma possibilidade inteiramente nova para baixo consumo de energia, flexível, dispositivos de sensor de vapor químico versáteis. Se a transição de fase puder ser aproveitada para detectar diretamente analitos doadores de elétrons fortes, ela criará um modelo de detecção de vapor químico inteiramente novo. Isso permitirá que medições ópticas de tipo passivo sejam combinadas com, ou usado separadamente de, medições de condutância ativa para identificar vapores de analito, todos com o mesmo dispositivo, e ser usado como o mecanismo de operação para um novo método para identificar compostos químicos e a presença de vapores perigosos.

Estudos anteriores de mudanças de fase sem difusão semelhantes mostraram velocidades na faixa de nanossegundos, e os dispositivos previstos também serão rápidos, que excederá o que há de mais moderno em velocidade de detecção. Como a quantidade de carga necessária para induzir uma mudança de fase em cada material TMD é diferente, um conjunto de materiais TMD de detecção simultânea permitirá que vários doadores / aceitadores de elétrons de força sejam detectados e até mesmo identificados com a redundância necessária para minimizar o erro. Devido aos seus baixos requisitos de espaço e despesas, esses sensores também podem ser facilmente combinados com sensores de corrente para criar um instrumento ainda mais versátil para as plataformas atuais do Departamento de Defesa (DoD).

Os resultados são relatados na edição de junho de 2017 da Natureza Publishing Group's Relatórios Científicos .