Lasersko graviranje će omogućiti razvoj ‘elektroničkog njuškala“ za višeplinski detektor

Okolišni senzori su korak bliže istovremenom detektiranju više plinova koji bi mogli ukazivati ​​na bolest ili zagađenje, zahvaljujući istraživanju s fakulteta Penn State. Huanyu “Larry” Cheng, docent inženjerskih znanosti i mehanike na College of Engineering, Lauren Zarzar, docentica kemije na Eberly College of Science i njihovi timovi kombinirali su lasersko graviranje i tehnologije osjetljivih senzora kako bi proizveli prve visoko prilagodljive detektore plina na mikroskali.

Svoju metodu su objavili ​​ovog mjeseca u Applied Materials & Interfaces, časopisu Američkog kemijskog društva.

“Detekcija plinova je od ključne važnosti za različita područja, uključujući praćenje onečišćenja, osiguranje javne sigurnosti i osobnu zdravstvenu skrb”, rekao je Cheng. “Kako bi ispunili ove potrebe, uređaji za detekciju moraju biti mali, lagani, jeftini i jednostavni za korištenje te primjenjivi na različite aplikacije i supstrate, poput odjeće ili cijevi.”

Prema Chengu, izazov je stvoriti uređaje sa željenim svojstvima koji se još uvijek mogu prilagoditi infrastrukturi potrebnoj za precizno i ​​točno detektiranje različitih ciljanih plinova u isto vrijeme. Tu dolazi do izražaja Zarzarina stručnost s laserskim graviranjem.

“Tehnike laserskog graviranja daju slobodu dizajna u širokom rasponu područja”, rekla je Zarzar. “Proširenje našeg razumijevanja o tome kako izravno sintetizirati, oblikovati i integrirati nove materijale – posebno nanomaterijale i nanomaterijalne kompozite – u složene sustave omogućit će nam stvaranje sve sofisticiranijih i korisnijih senzorskih tehnologija.”

Njezina istraživačka skupina razvila je laserski inducirani termalni voxel proces, koji omogućuje istovremeno stvaranje i integraciju metalnih oksida izravno u senzorske platforme. Metalni oksidi su materijali koji reagiraju na različite spojeve, pokrećući senzorski mehanizam. Uz pomoć laserskog graviranja, istraživači otapaju metalne soli u vodi, a zatim usmjeravaju laser u otopinu. Visoka temperatura razgrađuje otopinu, ostavljajući iza sebe nanočestice metalnog oksida koje se mogu sinterirati na platformu senzora.

Proces usmjerava prethodne metode, koje su zahtijevale unaprijed definiranu podlogu planiranog uzorka. Sve promjene ili prilagodbe zahtijevale su izradu nove podloge – što je koštalo vremena i novca. Lasersko graviranje je “bez podloge”, prema Zarzar, i u kombinaciji s termalnim voxel procesom, omogućuje brzo ponavljanje i testiranje više dizajna ili materijala kako bi se pronašle najučinkovitije kombinacije.

“Precizno oblikovanje uzoraka također je neophodna komponenta za stvaranje ‘elektroničkih njuškala“ ili nizova senzora koji se ponašaju poput nosa i mogu precizno detektirati više plinova u isto vrijeme”, rekao je Alexander Castonguay, student diplomskog studija kemije i koautor rada. “Tako precizna detekcija zahtijeva uzorkovanje različitih materijala u neposrednoj blizini, na najtanjoj mikroskali. Nekoliko tehnika uzorkovanja ima rezoluciju za to, a pristup koji je opisan u ovoj studiji ima. Planiramo upotrijebiti ovdje opisane tehnike i materijale za razvoj prototipa elektroničkog njuškala.”

Istraživači su testirali pet različitih metala i metalnih kombinacija koje se trenutno koriste u senzorima. Prema Castonguayu, točka u kojoj se dodiruju različiti metalni oksidi, nazvana heterospoj, stvara jedinstveno okruženje na površini dvaju materijala koje poboljšava odziv plinskih senzora. Tim je otkrio da heterospoj bakrenog oksida i cinkovog oksida ima pet do 20 puta bolji odziv na testirane plinove – etanol, aceton, dušikov dioksid, amonijak i sumporovodik – u odnosu na sam bakreni oksid.

“Ovo otkriće podupire druga izvješća u znanstvenoj literaturi da stvaranje sustava miješanih oksida može dovesti do značajnog povećanja odziva senzora i demonstrira učinkovitost laserski inducirane tehnike toplinskog voxela za izradu senzora plina miješanih oksida”, rekao je Castonguay. “Nadamo se da ćemo udruživanjem znanja o laserskom graviranju grupe Zarzar sa stručnošću o nosivim senzorima grupe Cheng moći proširiti naše mogućnosti za stvaranje novih, prilagodljivih senzora.”