Eén druppel ethanol voor een revolutie in de productie van nanosensoren

Ingenieurs van Macquarie University hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om de fabricage van nanosensoren veel minder koolstofintensief, veel goedkoper, efficiënter en veelzijdiger te maken, waardoor een belangrijk proces in deze wereldwijde biljoenenindustrie aanzienlijk wordt verbeterd.

Het team heeft een manier gevonden om elke sensor te behandelen met een enkele druppel ethanol in plaats van het conventionele proces waarbij materialen tot hoge temperaturen worden verhit.

Hun onderzoek, gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialenis getiteld ‘Capillaire aangedreven zelf-geassembleerde microclusters voor hoogpresterende UV-detectoren.’

“Nanosensoren bestaan ​​meestal uit miljarden nanodeeltjes die op een klein sensoroppervlak zijn afgezet, maar de meeste van deze sensoren werken niet wanneer ze voor het eerst worden vervaardigd”, zegt de overeenkomstige auteur, universitair hoofddocent Noushin Nasiri, hoofd van het Nanotech Laboratory aan de Macquarie University’s School of Engineering. .

De nanodeeltjes assembleren zichzelf tot een netwerk dat bij elkaar wordt gehouden door zwakke natuurlijke bindingen die zoveel gaten tussen nanodeeltjes kunnen laten dat ze geen elektrische signalen kunnen doorgeven, zodat de sensor niet zal werken.

Het team van universitair hoofddocent Nasiri ontdekte de bevinding tijdens het werken aan het verbeteren van ultraviolette lichtsensoren, de sleuteltechnologie achter Sunwatchwaarin Nasiri finalist van de Eurekaprijs 2023 werd.

Nanosensoren hebben een enorme oppervlakte-volumeverhouding die bestaat uit lagen nanodeeltjes, waardoor ze zeer gevoelig zijn voor de stof waarvoor ze zijn ontworpen. Maar de meeste nanosensoren werken pas effectief als ze worden verwarmd in een tijdrovend en energie-intensief proces van 12 uur waarbij hoge temperaturen worden gebruikt om lagen nanodeeltjes samen te smelten, waardoor kanalen ontstaan ​​waardoor elektronen door lagen kunnen gaan, zodat de sensor zal functioneren.

“De oven vernietigt de meeste op polymeren gebaseerde sensoren, en nanosensoren die kleine elektroden bevatten, zoals die in een nano-elektronisch apparaat, kunnen smelten. Veel materialen kunnen momenteel niet worden gebruikt om sensoren te maken omdat ze niet tegen hitte kunnen”, zegt universitair hoofddocent Nasiri. .

De nieuwe techniek die door het Macquarie-team is ontdekt, omzeilt dit warmte-intensieve proces echter, waardoor nanosensoren kunnen worden gemaakt van een veel breder scala aan materialen.

“Door één druppel ethanol aan de sensorlaag toe te voegen, zonder deze in de oven te plaatsen, kunnen de atomen op het oppervlak van de nanodeeltjes zich verplaatsen en verdwijnen de openingen tussen de nanodeeltjes wanneer de deeltjes zich met elkaar verbinden”, zegt universitair hoofddocent Nasiri. zegt.

“We hebben aangetoond dat ethanol de efficiëntie en het reactievermogen van onze sensoren enorm heeft verbeterd, meer dan wat je zou krijgen na 12 uur verhitten.”

De nieuwe methode werd ontdekt nadat de hoofdauteur van het onderzoek, postdoctorale student Jayden (Xiaohu) Chen, per ongeluk wat ethanol op een sensor spetterde tijdens het wassen van een kroes, in een incident dat deze gevoelige apparaten normaal gesproken zou vernietigen.

“Ik dacht dat de sensor was vernietigd, maar realiseerde me later dat het monster beter presteerde dan elk ander monster dat we ooit hebben gemaakt”, zegt Chen.

Universitair hoofddocent Nasiri zegt dat het ongeluk hen misschien op het idee heeft gebracht, maar de effectiviteit van de methode hing af van nauwgezet werk om de exacte hoeveelheid gebruikte ethanol te bepalen.

“Toen Jayden dit resultaat vond, gingen we heel voorzichtig terug om verschillende hoeveelheden ethanol te proberen. Hij testte keer op keer om te ontdekken wat werkte”, zegt ze.

“Het was als Goudlokje – drie microliter was te weinig en deed niets effectiefs, 10 microliter was te veel en veegde de sensorlaag weg, vijf microliter was precies goed!”

Het team heeft patenten aangevraagd voor de ontdekking, die het potentieel heeft om een ​​grote opschudding te veroorzaken in de wereld van nanosensoren.

“We hebben een recept ontwikkeld om nanosensoren te laten werken en we hebben het getest met UV-lichtsensoren, en ook met nanosensoren die kooldioxide, methaan, waterstof en meer detecteren – het effect is hetzelfde”, zegt universitair hoofddocent Nasiri.

“Na één correct gemeten druppel ethanol wordt de sensor binnen ongeveer een minuut geactiveerd. Dit verandert een langzaam, zeer energie-intensief proces in iets dat veel efficiënter is.”