Графеновые наноленты — основа новых высокоточных и сверхчувствительных датчиков

Газовые датчики, в структуру которых включены графеновые наноленты особой формы, могут значительно превосходить по точности и чувствительности самые лучшие экземпляры своих «обычных» аналогов. Ученые и инженеры из университетов Небраски-Линкольна и Иллинойса, США, Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина, Россия, разработали специальный вид графеновой наноленты, части из которой устанавливаются вертикально на поверхности датчика вместо того, чтобы плашмя лежать на его поверхности.

Множество таких нанолент, установленных вертикально на поверхности датчика обычного газового анализатора, позволили этому датчику реагировать на наличие молекул определенного типа в 100 раз сильней, чем это могут делать наилучшие образцы существующих газовых датчиков на основе углерода.

«Имея несколько разных высокочувствительных датчиков на чипе, мы можем даже почувствовать разницу между молекулами, имеющими одинаковую химическую природу» — рассказывает Александр Синицкий, профессор химии из университета Небраски-Линкольна, — «Мы можем определить количество молекул метанола и этанола отдельно друг от друга. То есть, такие датчики на основе графена отличаются не только чувствительностью, но и высокой избирательностью».

В новых датчиках используется одно из свойств графена, то, что этот материал не имеет электронной запрещенной зоны, которая определяет минимальную энергию, необходимую для перехода электронов атомов материала с близких к ядрам орбит в так называемую «зону проводимости». Это свойство ограничивает круг применения графена в электронике и в других областях, где требуется управление проводимостью материала.

Тем не менее, ученым удалось снабдить графеновые наноленты запрещенной зоной при помощи достаточно хитрой уловки. Графеновые наноленты определенной формы и размеров синтезируются в жидком растворе при помощи метода, который позволяет получать их в больших количествах. А на заключительном этапе этого процесса в раствор добавляются кольца бензола, круглые органические молекулы, содержащие по шесть атомов углерода и водорода. Когда такие кольца попадают и закрепляются на поверхности наноленты с любой стороны, их наличие приводит к появлению у графена очень узкой запрещенной зоны, что способствует увеличению проводимости материала в определенных условиях.

А высокая чувствительность датчиков с графеновыми нанолентами объясняется весьма необычным видом взаимодействия графеновых нанолент с молекулами анализируемого газа. Эти молекулы прикрепляются к вертикальным нанолентам, увеличивая их ширину и заставляя их выгибаться, сближаясь с соседними нанолентами, что позволяет электронам беспрепятственно «перепрыгивать» с одной наноленты на другую, обеспечивая прохождение электрического тока.