Uma equipe de pesquisadores da Tandon School of Engineering da New York University e do NYU Center for Neural Science resolveu um antigo quebra-cabeça de como construir ultrassensíveis, Sensores eletroquímicos ultrapequenos com propriedades homogêneas e previsíveis, descobrindo como projetar a estrutura do grafeno em um nível atômico.

Sensores eletroquímicos bem ajustados (também chamados de eletrodos) que são tão pequenos quanto células biológicas são valorizados para diagnósticos médicos e sistemas de monitoramento ambiental. A demanda estimulou esforços para desenvolver eletrodos à base de carbono nanoengenharia, que oferecem produtos eletrônicos incomparáveis, térmico, e propriedades mecânicas. No entanto, esses esforços foram bloqueados por muito tempo pela falta de princípios quantitativos para orientar a engenharia precisa da sensibilidade do eletrodo às moléculas bioquímicas.

Davood Shahrjerdi, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na NYU Tandon, e Roozbeh Kiani, professor assistente de ciências neurais e psicologia no Center for Neural Science, Faculdade de Artes e Ciências, revelaram a relação entre vários defeitos estruturais no grafeno e a sensibilidade dos eletrodos feitos dele. Esta descoberta abre a porta para a engenharia precisa e produção em escala industrial de matrizes homogêneas de eletrodos de grafeno. Os pesquisadores detalham seu estudo em um artigo publicado hoje na revista. Materiais avançados .

O grafeno é um único, folha de carbono da espessura de um átomo. Há um consenso tradicional de que defeitos estruturais no grafeno geralmente podem aumentar a sensibilidade dos eletrodos construídos a partir dele. Contudo, uma compreensão firme da relação entre vários defeitos estruturais e a sensibilidade há muito tempo iludiu os pesquisadores. Esta informação é particularmente vital para ajustar a densidade de diferentes defeitos no grafeno, a fim de atingir o nível desejado de sensibilidade.

"Até agora, alcançar um efeito de sensibilidade desejado era semelhante ao vodu ou alquimia - muitas vezes, não sabíamos por que uma certa abordagem produziu um eletrodo mais ou menos sensível, "Shahrjerdi disse." Ao estudar sistematicamente a influência de vários tipos e densidades de defeitos de material na sensibilidade do eletrodo, criamos um modelo microscópico baseado na física que substitui a superstição por uma visão científica. "

Em uma descoberta surpreendente, os pesquisadores descobriram que apenas um grupo de defeitos na estrutura do grafeno - defeitos pontuais - afeta significativamente a sensibilidade do eletrodo, que aumenta linearmente com a densidade média desses defeitos, dentro de um certo intervalo. "Se otimizarmos esses defeitos pontuais em número e densidade, podemos criar um eletrodo que é até 20 vezes mais sensível do que eletrodos convencionais, "Kiani explicou.

Essas descobertas têm impacto na fabricação e nas aplicações de eletrodos à base de grafeno. Os eletrodos à base de carbono de hoje são calibrados para sensibilidade pós-fabricação, um processo demorado que dificulta a produção em grande escala, mas as descobertas dos pesquisadores permitirão a engenharia precisa da sensibilidade durante a síntese do material, permitindo assim a produção em escala industrial de eletrodos à base de carbono com sensibilidade confiável e reproduzível.

Atualmente, eletrodos à base de carbono são impraticáveis ​​para qualquer aplicação que requeira uma densa matriz de sensores:Os resultados não são confiáveis ​​devido a grandes variações da sensibilidade eletrodo a eletrodo dentro da matriz. Essas novas descobertas permitirão o uso de eletrodos à base de carbono ultrapequenos com sensibilidades homogêneas e extraordinariamente altas em sondas neurais de próxima geração e plataformas multiplexadas "lab-on-a-chip" para diagnósticos médicos e desenvolvimento de medicamentos, e podem substituir métodos ópticos para medir amostras biológicas, incluindo DNA.