(PhysOrg.com) - Um novo estudo do Rensselaer Polytechnic Institute demonstra como a espuma de grafeno pode superar os principais sensores de gás comerciais na detecção de produtos químicos potencialmente perigosos e explosivos. A descoberta abre as portas para uma nova geração de sensores de gás a serem usados ​​por esquadrões de bombas, agentes da lei, organizações de defesa, e em vários ambientes industriais.

O novo sensor mediu repetidamente amônia (NH3) e dióxido de nitrogênio (NO2) em concentrações tão pequenas quanto 20 partes por milhão. Feito de nanofolhas contínuas de grafeno que crescem em uma estrutura semelhante a espuma do tamanho de um selo postal e espessura de feltro, o sensor é flexível, áspero, e, finalmente, supera as deficiências que impediram os detectores de gás baseados em nanoestrutura de chegar ao mercado.

Os resultados do estudo foram publicados hoje na revista. Relatórios Científicos , publicado pelo Nature Publishing Group. Veja o jornal, intitulado “Detecção de gás de alta sensibilidade usando uma rede macroscópica de espuma de grafeno tridimensional”.

“Estamos muito entusiasmados com esta nova descoberta, que achamos que pode levar a novos sensores comerciais de gás, ”Disse o professor de engenharia Rensselaer Nikhil Koratkar, que co-liderou o estudo junto com o professor Hui-Ming Cheng no Laboratório Nacional de Ciência de Materiais de Shenyang na Academia Chinesa de Ciências. “Até agora, os sensores mostraram ser significativamente mais sensíveis na detecção de amônia e dióxido de nitrogênio em temperatura ambiente do que os detectores de gás comerciais no mercado hoje. ”

Na última década, os pesquisadores mostraram que as nanoestruturas individuais são extremamente sensíveis a produtos químicos e gases diferentes. Para construir e operar um dispositivo usando uma nanoestrutura individual para detecção de gás, Contudo, provou ser muito complexo, caro, e não confiável para ser comercialmente viável, Koratkar disse. Tal esforço envolveria criar e manipular a posição da nanoestrutura individual, localizando usando microscopia, usando litografia para aplicar contatos de ouro, seguido por outro lento, etapas caras. Incorporado em um dispositivo portátil, tal nanoestrutura única pode ser facilmente danificada e tornada inoperante. Adicionalmente, pode ser um desafio “limpar” o gás detectado da nanoestrutura única.

A nova estrutura do tamanho de um selo postal desenvolvida pela Koratkar tem todas as mesmas propriedades atraentes de uma nanoestrutura individual, mas é muito mais fácil de trabalhar por causa de sua grande, tamanho da macroescala. Os colaboradores de Koratkar na Academia Chinesa de Ciências cultivaram grafeno em uma estrutura de espuma de níquel. Depois de remover a espuma de níquel, o que resta é um grande, rede autônoma de grafeno em forma de espuma. Essencialmente, uma única camada de grafite encontrada comumente em nossos lápis ou o carvão que queimamos em nossas churrasqueiras, o grafeno é uma folha de átomos de carbono com a espessura de um átomo, organizada como uma cerca de arame de galinheiro em nanoescala. As paredes do sensor de grafeno em forma de espuma são compostas por folhas de grafeno contínuas sem nenhuma quebra física ou interface entre as folhas.

Koartkar e seus alunos desenvolveram a ideia de usar essa estrutura de espuma de grafeno como um detector de gás. Como resultado da exposição da espuma de grafeno ao ar contaminado com traços de amônia ou dióxido de nitrogênio, os pesquisadores descobriram que as partículas de gás grudaram, ou adsorvido, para a superfície da espuma. Esta mudança na química da superfície tem um impacto distinto sobre a resistência elétrica do grafeno. Medir essa mudança na resistência é o mecanismo pelo qual o sensor pode detectar diferentes gases.

Adicionalmente, o detector de gás de espuma de grafeno é muito fácil de limpar. Ao aplicar uma corrente de ~ 100 miliamperes através da estrutura de grafeno, A equipe de Koratkar foi capaz de aquecer a espuma de grafeno o suficiente para soltá-la, ou dessorver, todas as partículas de gás adsorvidas. Este mecanismo de limpeza não tem impacto na capacidade da espuma de grafeno de detectar gases, o que significa que o processo de detecção é totalmente reversível e um dispositivo baseado nesta nova tecnologia seria de baixo consumo - sem necessidade de aquecedores externos para limpar a espuma - e reutilizável.

Koratkar escolheu a amônia como gás de teste para demonstrar a prova de conceito desse novo detector. O nitrato de amônio está presente em muitos explosivos e é conhecido por se decompor gradualmente e liberar vestígios de amônia. Como resultado, Os detectores de amônia são freqüentemente usados ​​para testar a presença de um explosivo. Um gás tóxico, a amônia também é usada em uma variedade de processos industriais e médicos, para os quais os detectores são necessários para monitorar vazamentos.

Os resultados do estudo mostram que a nova estrutura de espuma de grafeno detectou amônia em 1, 000 partes por milhão em 5 a 10 minutos à temperatura ambiente e à pressão atmosférica. A mudança na resistência elétrica do grafeno foi de cerca de 30 por cento. Isso se compara favoravelmente aos sensores de polímero condutor disponíveis comercialmente, que sofrem uma mudança de resistência de 30 por cento em 5 a 10 minutos quando expostos a 10, 000 partes por milhão de amônia. No mesmo período de tempo e com a mesma mudança na resistência, o detector de espuma de grafeno foi 10 vezes mais sensível. A sensibilidade do detector de espuma de grafeno é eficaz em até 20 partes por milhão, muito mais baixo do que os dispositivos disponíveis comercialmente. Adicionalmente, muitos dos dispositivos disponíveis comercialmente requerem alto consumo de energia, uma vez que fornecem sensibilidade adequada apenas em altas temperaturas, enquanto o detector de espuma de grafeno opera em temperatura ambiente.

A equipe de Koratkar usou dióxido de nitrogênio como o segundo gás de teste. Diferentes explosivos, incluindo nitrocelulose, degradam-se gradualmente, e são conhecidos por produzirem gás dióxido de nitrogênio como subproduto. Como resultado, o dióxido de nitrogênio também é usado como marcador nos testes de explosivos. Adicionalmente, o dióxido de nitrogênio é um poluente comum encontrado na combustão e nas emissões automotivas. Muitos sistemas diferentes de monitoramento ambiental apresentam detecção de dióxido de nitrogênio em tempo real.

O novo sensor de espuma de grafeno detectou dióxido de nitrogênio em 100 partes por milhão por uma mudança de resistência de 10 por cento em 5 a 10 minutos em temperatura ambiente e pressão atmosférica. Ele se mostrou 10 vezes mais sensível do que os sensores comerciais de polímero condutor, que normalmente detecta dióxido de nitrogênio em 1, 000 partes por milhão ao mesmo tempo e com a mesma chance de resistência à temperatura ambiente. Outros detectores de dióxido de nitrogênio disponíveis hoje requerem alto consumo de energia e altas temperaturas para fornecer sensibilidade adequada. O sensor de espuma de grafeno pode detectar dióxido de nitrogênio em até 20 partes por milhão em temperatura ambiente.

“Vemos isso como o primeiro detector de gás baseado em nanoestrutura prático que é viável para comercialização, ”Disse Koratkar, um professor do Departamento de Mecânica, Aeroespacial, e Engenharia Nuclear em Rensselaer. “Nossos resultados mostram que a espuma de grafeno é capaz de detectar amônia e dióxido de nitrogênio em uma concentração que é uma ordem de magnitude menor do que os detectores de gás comerciais no mercado hoje.”

A espuma de grafeno pode ser projetada para detectar muitos gases diferentes além da amônia e dióxido de nitrogênio, ele disse.

Estudos têm mostrado a condutividade elétrica de um nanotubo individual, nanofio, ou a folha de grafeno é extremamente sensível à adsorção de gás. Mas o pequeno tamanho das nanoestruturas individuais tornou caro e desafiador desenvolver um dispositivo, além disso, as estruturas são delicadas e muitas vezes não produzem resultados consistentes.

O novo sensor de gás de espuma de grafeno supera esses desafios. É fácil de manusear e manipular devido ao seu grande, tamanho da macroescala. O sensor também é flexível, áspero, e robusto o suficiente para lidar com o desgaste dentro de um dispositivo. Além disso, é totalmente reversível, e os resultados que fornece são consistentes e repetíveis. Mais importante, a espuma de grafeno é altamente sensível, graças ao seu 3-D, estrutura porosa que permite que os gases sejam facilmente adsorvidos em sua enorme área de superfície. Apesar de seu grande tamanho, a estrutura da espuma de grafeno funciona essencialmente como uma nanoestrutura única. Não há quebras na rede de grafeno, o que significa que não há interfaces para superar, e os elétrons fluem livremente com pouca resistência. Isso aumenta a sensibilidade da espuma aos gases.

“Em certo sentido, superamos o calcanhar de Aquiles da nanotecnologia para detecção química, ”Disse Koratkar. “Uma única nanoestrutura funciona muito bem, mas não significa muito quando aplicado em um dispositivo real no mundo real. Quando você tenta escalá-lo para proporções de macroescala, as interfaces derrotam o que você está tentando realizar, como as propriedades da nanoestrutura são dominadas por interfaces. Agora podemos dimensionar o grafeno de uma forma que as interfaces não estejam presentes. Isso nos permite tirar vantagem das propriedades intrínsecas da nanoestrutura, ainda trabalhar com uma estrutura macroscópica que nos dá repetibilidade, confiabilidade, e robustez, mas mostra sensibilidade semelhante à adsorção de gás como uma nanoestrutura única. ”