In-place fabricagemethode verbetert de mogelijkheden van gassensoren, productietijd

Bij gebruik als draagbare medische apparaten kunnen rekbare, flexibele gassensoren gezondheidsproblemen of problemen identificeren door het zuurstof- of kooldioxidegehalte in de adem of het zweet te detecteren. Ze zijn ook nuttig voor het bewaken van de luchtkwaliteit in binnen- of buitenomgevingen door gas, biomoleculen en chemicaliën te detecteren. Maar het vervaardigen van de apparaten, die zijn gemaakt met behulp van nanomaterialen, kan een uitdaging zijn.

Onderzoekers van Penn State hebben onlangs hun fabricageproces voor gassensoren verbeterd door middel van een in situ laserondersteunde productiebenadering, waardoor hun vorige methode van druppelgieten, of het één voor één laten vallen van materialen op een substraat met behulp van een pipet. Ze publiceerden hun resultaten in de Tijdschrift voor chemische technologie.

“Met drop-casting moet je elk onderdeel van de sensor afzonderlijk synthetiseren en vervolgens integreren, wat logistiek uitdagend is, lang duurt en duur is”, zegt de overeenkomstige auteur Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson, Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics aan het Penn State College of Engineering. “Met de in situ-methode kunnen de materialen direct op één plek worden gesynthetiseerd en de laser versnelt het proces.”

Daarbij schrijft een laser nanomaterialen rechtstreeks op een poreus substraat van grafeenschuim. Het basismateriaal zorgt ervoor dat de sensor rekbaar en flexibel is wanneer deze op de huid of een voorwerp wordt aangebracht.

Volgens Cheng opent de aanpak mogelijkheden om verschillende voorlopers, of nanomaterialen, te gebruiken en ze te mengen met verschillende verhoudingen en componenten. Eerder gebruikten onderzoekers grafeenoxide en molybdeendisulfide om de sensoren te maken. Met de nieuwe methode testten onderzoekers vier extra materiaalklassen, waaronder overgangsmetaaldichalcogenide, metaaloxiden, met edelmetaal gedoteerde metaaloxiden en samengestelde metaaloxiden.

“Een bepaald nanomateriaal stelt ons in staat om verschillende biomarkers of gassen waar te nemen, dus het is erg belangrijk voor ons om toegang te krijgen tot verschillende materialen”, zei Cheng. “Eén nanomateriaal kan bijvoorbeeld meestal maar één doelgasmolecuul detecteren. Met meerdere beschikbare keuzes kun je mogelijk meer moleculen detecteren, waardoor de detectiemogelijkheden worden verbeterd.”

Met behulp van verschillende nanomaterialen creëerden onderzoekers een reeks van verschillende kleine sensoren die naast elkaar waren geplaatst. De mogelijkheden van de array kunnen worden vergeleken met een menselijke neus, zei Cheng.

“De neus is geëvolueerd om miljoenen geuren te detecteren met behulp van miljoenen cellen,” zei Cheng. “Op dezelfde manier kan elk van de sensoren een andere chemische stof of deeltje detecteren.”

Met het nieuwe sensorontwerp elimineerden onderzoekers de behoefte aan een aparte warmtebron, waardoor de complexiteit van de fabricage van het apparaat verder afnam. Het nieuwe ontwerp integreert de gasgevoelige nanomaterialen op een enkele lijn van poreus grafeenschuim, in vergelijking met het oude ontwerp, waar nanomaterialen de openingen tussen de elektroden opvulden. De weerstand in de enkele lijn van poreus grafeenschuim induceert Joule-warmte voor zelfverhitting.

Het resultaat is een geavanceerde sensor die verschillende toepassingen heeft, waaronder het bewaken en waarschuwen van de gebruiker voor een snelle toename van gassen, zoals op een industriële locatie, of een accumulatie van gassen in de loop van de tijd, zoals in het geval van vervuiling.

In de toekomst zijn onderzoekers van plan de mogelijkheden van de sensor te verbeteren door nanomateriaalcomposieten te programmeren om zich op specifieke gassen te richten of om meerdere gassoorten in complexe mengsels te identificeren.