Innovatieve sensor detecteert specifiek en nauwkeurig moleculen

Onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en de Technische Universiteit van Darmstadt hebben een nieuwe sensor voor gasmoleculen ontwikkeld door een grafeentransistor te combineren met een op maat gemaakte metaal-organische coating. De innovatieve sensor detecteert specifiek en nauwkeurig moleculen en vertegenwoordigt het prototype van een geheel nieuwe klasse sensoren. De ontwikkelde ethanolsensor reageert niet op andere alcoholen of vochtigheid. De resultaten worden gerapporteerd in Geavanceerde materialen.

Sensoren zijn alomtegenwoordig in voertuigen of smartphones, onderzoekslaboratoria en industriële faciliteiten. Ze leggen bepaalde fysische of chemische eigenschappen vast, zoals druk, spanning of gasmoleculen, en verzenden de gegevens naar verwerking. Verdere ontwikkeling van sensoren is daarom van doorslaggevend belang voor de technologische vooruitgang. Sensoren worden gekenmerkt door hun selectiviteit, dwz hun vermogen om een ​​bepaalde eigenschap te detecteren in de aanwezigheid van andere, potentieel storende eigenschappen, evenals door hun gevoeligheid, dwz hun vermogen om zelfs lage waarden te meten.

Onderzoekers van het KIT en de Technische Universiteit van Darmstadt zijn er nu in geslaagd een nieuw type sensor te ontwikkelen voor moleculen in de gasfase. De wetenschappers rapporteren in Geavanceerde materialen dat het werkingsprincipe van deze nieuwe klasse sensoren is gebaseerd op het combineren van gevoelige grafeentransistors met op maat gemaakte metaal-organische coatings. Deze combinatie maakt selectieve detectie van moleculen mogelijk. Als prototype presenteren de auteurs een specifieke ethanolsensor. In tegenstelling tot in de handel verkrijgbare sensoren reageert het niet op alcohol of vocht.

Grafeen is een modificatie van koolstof met een tweedimensionale structuur. Van nature is het zeer gevoelig voor vreemde moleculen die zich aan het oppervlak hechten. “Grafine vertoont echter geen molecuulspecifieke interactie die nodig is voor gebruik als sensor”, zegt Ralph Krupke. Krupke is hoogleraar aan het Institute of Nanotechnology (INT) van het KIT en het Institute of Materials Science van de TU Darmstadt. Samen met professor Wolfgang Wenzel (ook INT) en professor Christof Wöll, hoofd van het KIT Institute of Functional Interfaces (IFG), leidde hij het onderzoek. Eerste auteur is Sundeep Kumar, die onderzoek doet in het laboratorium van Ralph Krupke aan het KIT en werkt aan zijn doctoraat op het gebied van moleculaire nanostructuren aan het Institute of Materials Science van de TU Darmstadt. “Om de vereiste selectiviteit te bereiken, hebben we een metaal-organisch raamwerk op het oppervlak laten groeien”, legt Krupke uit.

Sensoren kunnen nauwkeurig worden afgesteld

Metaal-organische raamwerken (MOF’s) bestaan ​​uit metalen knopen en organische moleculen als drijfstangen. Door verschillende combinaties te kiezen, kunnen deze zeer poreuze kristallijne materialen worden afgestemd op verschillende toepassingen om bijvoorbeeld een selectief absorptievermogen voor bepaalde moleculen te bereiken. De onderzoekers uit Karlsruhe en Darmstadt presenteerden een selectief sensorplatform door een op een oppervlak gemonteerd metaal-organisch raamwerk (SURMOF) rechtstreeks op een grafeen-veldeffecttransistor (GFET) te laten groeien. Zo’n component profiteert zowel van de hoge gevoeligheid en eenvoudige uitlezing van een GFET als van de hoge selectiviteit van een SURMOF.

“De combinatie van de unieke elektronische eigenschappen van grafeen met de hoge chemische variabiliteit van MOF’s opent een groot potentieel”, zegt Christof Wöll. Omdat verschillende soorten SURMOF’s kunnen worden geproduceerd en chemische ontwerpen van de interface tussen GFET en SURMOF kunnen variëren, opent het werk van de onderzoekers een geheel nieuwe klasse sensoren met een specifiek aangepaste selectiviteit en gevoeligheid. “Hier helpt simulatie”, zegt Wolfgang Wenzel, “omdat we veel MOF’s op de computer kunnen maken zonder ze te synthetiseren.”