MXene Material könnte Sensoren verbessern, die schnüffeln

New 2D Materials for Storage and Harvesting of Electrical Energy (March 2019).

Anonim

Sensoren, die Chemikalien in der Luft aufschnüffeln, um uns vor allem von Bränden über Kohlenmonoxid zu betrunkenen Autofahrern bis hin zu im Gepäck versteckten Sprengkörpern zu warnen, haben sich so stark verbessert, dass sie sogar Krankheiten beim Atem eines Menschen erkennen können. Forscher der Drexel University und des Korea Advanced Institute of Science and Technology haben eine Entdeckung gemacht, die unsere besten "chemischen Nasen" noch sensibler machen könnte.

In einer kürzlich in der amerikanischen Chemical Society-Zeitschrift ACS Nano veröffentlichten Studie beschreibt das Team, wie ein zweidimensionales, metallisches Material namens MXene als hochempfindlicher Detektor für gasförmige Chemikalien verwendet werden kann. Das Papier legt nahe, dass MXene Chemikalien wie Ammoniak und Aceton, die Indikatoren für Geschwüre und Diabetes sind, in viel geringeren Spuren aufnehmen kann als Sensoren, die derzeit in der medizinischen Diagnostik verwendet werden.

"MXene ist einer der empfindlichsten Gassensoren, über die jemals berichtet wurde. Diese Forschung ist von Bedeutung, weil sie den Bereich für den Nachweis von gewöhnlichen Gasen erweitert und es uns ermöglicht, sehr niedrige Konzentrationen zu detektieren, die wir vorher nicht entdecken konnten", sagte Yury Gogotsi, Ph. D., Distinguished University und Bach Professor in Drexel's College of Engineering, der eine führende Drexel Autor der Studie war. "Die hohe Empfindlichkeit des Geräts kann zur Erkennung von toxischen Gasen oder Schadstoffen in unserer Umwelt verwendet werden."

Die Forschungsgruppe Nanomaterialien von Gogotsi aus Drexels Abteilung für Materialwissenschaften und -technik arbeitete mit Hee-Tae Jung, Ph.D., Professor am KAIST in Daejeon, Südkorea, zusammen, um die gassensorischen Eigenschaften von Titancarbid MXene zu erforschen. Der Schlüssel zu seiner exzellenten Fähigkeit zur Geruchsprüfung liegt darin, dass MXene sowohl hochleitfähig ist als auch eine messbare Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in der Gegenwart der Chemikalie erfährt, die es erkennen soll - und nur dann, wenn diese bestimmte Chemikalie vorhanden ist.

Diese Unterscheidung wird in der Welt der chemischen Sensoren als "Signal-zu-Rausch" -Verhältnis bezeichnet und dient dazu, die Qualität von Sensoren zu bewerten - es wird mehr Signal aufgenommen und weniger Rauschen ist das Ziel. Die heute gebräuchlichen - meist im medizinischen Bereich zum Nachweis von Chemikalien wie Aceton, Ethanol und Propanol oder in Alkoholtester - haben ein Signal-Rausch-Verhältnis zwischen 3-10, MXene liegt zwischen 170 und 350, je nachdem chemisch.

"Wenn das Material auf Gase reagieren kann, indem es ein starkes Signal gibt, während es gleichzeitig leitfähig ist und ein geringes elektrisches Rauschen erzielt, kann der Sensor Gase in sehr niedrigen Konzentrationen erkennen, da das Signal-Rausch-Verhältnis hoch ist - dies ist eindeutig der Fall MXene ", sagte Gogotsi. "MXene kann Gase im Bereich von 50-100 Teilen pro Milliarde nachweisen, was unter der Konzentration liegt, die für Stromsensoren zur Erkennung von Diabetes und einer Reihe anderer Gesundheitszustände erforderlich ist."

Dieses Empfindlichkeitsniveau könnte für die Erkennung von Krankheiten extrem wichtig sein. Neben Geschwüren und Diabetes wird derzeit eine Atemanalyse zur Früherkennung verschiedener Krebsarten, Zirrhose, Multipler Sklerose und Nierenerkrankungen entwickelt. Wenn die chemischen Indikatoren für diese Krankheiten in niedrigeren Konzentrationen entdeckt werden können, werden sie eher in früheren Stadien diagnostiziert und behandelt.

MXenes Vorteil gegenüber herkömmlichen Sensormaterialien liegt in seiner porösen Struktur und chemischen Zusammensetzung. Das Material ist gut darin, Gasmolekülen zu erlauben, sich über ihre Oberfläche zu bewegen und bestimmte, die chemisch von ihm angezogen werden, zu adsorbieren oder zu adsorbieren, was eine gute Selektivität zeigt.

Gogotsis Team erforscht MXenes seit der Entdeckung des Materials bei Drexel im Jahr 2011. Die Gruppe war in der Lage, mehr als zwei Dutzend verschiedene chemische Zusammensetzungen für das Material zu erstellen und zu untersuchen, was bedeutet, dass sie für die Herstellung von Sensoren für die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden können Gase.

In der Zukunft, so Gogotsi, könnten MXene-Sensoren eine wichtige Rolle bei der Umweltüberwachung, bei der Energiegewinnung und -speicherung sowie bei der Gesundheitsvorsorge spielen.

"Der nächste Schritt zur Weiterentwicklung dieser Forschung wird darin bestehen, die Sensorempfindlichkeit für verschiedene Arten von Gasen zu entwickeln und die Detektionsselektivität zwischen verschiedenen Gasen zu verbessern", sagte Gogotsi. "Wir können uns auch persönliche Sensoren vorstellen, die in unseren Smartphones oder Fitness-Tracker eingebaut sind und die Körperfunktionen und die Umwelt überwachen, während wir arbeiten, schlafen oder Sport treiben und mit einem Fingertipp zugänglich sind. Die Verbesserung der Erkennungsempfindlichkeit mit neuen Materialien ist die erste Schritt zur Verwirklichung dieser Geräte. "

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