Foto en artikel door Macquarie University
Ingenieurs aan de Macquarie Universiteit hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het produceren van nanosensoren die aanzienlijk minder koolstofintensief is, kosten verlaagt, de efficiëntie en veelzijdigheid verbetert, en daarmee aanzienlijke verbeteringen aanbrengt in een sleutelproces binnen deze multi-biljoen-dollar wereldwijde sector.
Het team heeft een manier gevonden om elke sensor te behandelen met een enkele druppel ethanol in plaats van het conventionele proces dat het verhitten van materialen tot hoge temperaturen omvat.
Hun onderzoek werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.
“Nanosensoren bestaan meestal uit miljarden nanodeeltjes die worden afgezet op een klein sensoroppervlak – maar de meeste van deze sensoren werken niet wanneer ze voor het eerst worden gefabriceerd”, zegt corresponderend auteur Associate Professor Noushin Nasiri, hoofd van het Nanotech Laboratorium aan de School of Engineering van de Macquarie Universiteit.
De nanodeeltjes vormen zichzelf tot een netwerk dat bij elkaar wordt gehouden door zwakke natuurlijke bindingen, wat zoveel openingen tussen nanodeeltjes kan veroorzaken dat ze geen elektrische signalen kunnen overbrengen, waardoor de sensor niet functioneert.
Het team van Associate Professor Nasiri ontdekte deze bevinding tijdens hun werk om ultraviolette lichtsensoren te verbeteren, de sleuteltechnologie achter Sunwatch, waardoor Nasiri een finalist werd voor de Eureka Prize van 2023.
Nanosensoren hebben een enorme oppervlakte-volumeverhouding bestaande uit lagen nanodeeltjes, waardoor ze zeer gevoelig zijn voor de stof die ze moeten detecteren. Maar de meeste nanosensoren werken niet effectief totdat ze in een tijdrovend en energie-intensief proces van 12 uur worden verwarmd met hoge temperaturen om lagen nanodeeltjes te smelten, kanalen te creëren waardoor elektronen door de lagen kunnen passeren, zodat de sensor kan functioneren.
“De oven vernietigt de meeste op polymeer gebaseerde sensoren, en nanosensoren met kleine elektroden, zoals die in een nanoelektronisch apparaat, kunnen smelten. Veel materialen kunnen momenteel niet worden gebruikt om sensoren te maken omdat ze geen hitte kunnen weerstaan”, zegt Associate Professor Nasiri.
De nieuwe techniek ontdekt door het Macquarie-team omzeilt echter dit hitte-intensieve proces, waardoor nanosensoren kunnen worden gemaakt van een veel breder scala aan materialen.
“Het toevoegen van één druppel ethanol op de senseringslaag, zonder deze in de oven te plaatsen, zal de atomen op het oppervlak van de nanodeeltjes helpen bewegen, en de openingen tussen nanodeeltjes verdwijnen doordat de deeltjes aan elkaar hechten”, zegt Associate Professor Nasiri.
“We hebben aangetoond dat ethanol de efficiëntie en responsiviteit van onze sensoren aanzienlijk heeft verbeterd, verder dan wat je zou krijgen na ze 12 uur te verwarmen.”
De nieuwe methode werd ontdekt nadat de hoofdauteur van de studie, postdoctoraal student Jayden (Xiaohu) Chen, per ongeluk wat ethanol op een sensor had gespat tijdens het schoonmaken van een crucible (een soort laboratoriumglaswerk), in een incident dat normaal gesproken deze gevoelige apparaten zou vernietigen.
“Ik dacht dat de sensor kapot was, maar besefte later dat het monster beter presteerde dan elk ander monster dat we ooit hadden gemaakt”, zegt Chen.
Associate Professor Nasiri zegt dat het ongeluk hen misschien op het idee heeft gebracht, maar dat de effectiviteit van de methode afhankelijk was van zorgvuldig werk om het exacte volume ethanol te identificeren dat werd gebruikt.
“Toen Jayden dit resultaat vond, gingen we heel voorzichtig terug en probeerden verschillende hoeveelheden ethanol. Hij testte keer op keer om te achterhalen wat werkte”, zegt ze.
“Het was als Goudlokje – drie microliters was te weinig en had geen effect, 10 microliters was te veel en veegde de senseringslaag weg, vijf microliters was precies goed!”
Het team heeft patenten in behandeling voor deze ontdekking, die het potentieel heeft om een grote impact te hebben 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 koolstofdioxide, methaan, waterstof en meer detecteren – het effect is hetzelfde”, zegt Associate Professor Nasiri.
“Na één correct gemeten druppel ethanol wordt de sensor geactiveerd in ongeveer een minuut. Dit verandert een langzaam, zeer energie-intensief proces in iets veel efficiënters.”
Associate Professor Nasiri is al benaderd door bedrijven in Australië en internationaal die graag met haar willen samenwerken om de techniek in de praktijk te brengen.
