یک قطره اتانول برای متحول کردن ساخت نانوحسگرها

4 آگوست 2023 -توسط دانشگاه مک کواری-سنسورهای نانوذرات کوچکتر از ناخن انسان هستند. اعتبار: دانشگاه مک کواری

مهندسان دانشگاه Macquarie تکنیک جدیدی را برای ساخت نانوحسگرها با کربن بسیار کمتر، بسیار ارزان‌تر، کارآمدتر و همه‌کاره‌تر توسعه داده‌اند که به طور قابل‌توجهی فرآیند کلیدی را در این صنعت جهانی تریلیون دلاری بهبود می‌بخشد.

این تیم راهی برای پردازش هر حسگر با استفاده از یک قطره اتانول به جای فرآیند معمولی که شامل حرارت دادن مواد تا دمای بالا است، پیدا کرده است.

تحقیق آنها که در Advanced Functional Materials منتشر شده است، که “ریز خوشه های مویرگی خود مونتاژ شده برای آشکارسازهای UV با عملکرد بالا” نام دارد.

پروفسور نوشین نصیری، سرپرست آزمایشگاه نانوتکنولوژی در دانشکده مهندسی دانشگاه مک‌کواری، می‌گوید: «نانوحسگرها معمولاً از میلیاردها نانوذره تشکیل شده‌اند که بر روی سطح حسگر کوچکی رسوب می‌کنند، اما بیشتر این حسگرها در ابتدا کار نمی‌کنند». .

نانوذرات خود را در شبکه‌ای جمع می‌کنند که توسط پیوندهای طبیعی ضعیف به هم متصل می‌شوند که می‌تواند آنقدر شکاف بین نانوذرات ایجاد کند که در انتقال سیگنال‌های الکتریکی ناتوان است، بنابراین حسگر کار نخواهد کرد.

تیم دانشیار نصیری این یافته را در حین کار برای بهبود حسگرهای نور فرابنفش، فناوری کلیدی پشت Sunwatch، که نصیری را به فینالیست جایزه Eureka 2023 تبدیل کرد، کشف کردند.

نانوحسگرها نسبت سطح به حجم عظیمی دارند که از لایه‌هایی از نانوذرات تشکیل شده‌اند، که آنها را نسبت به ماده‌ای که برای شناسایی طراحی شده‌اند بسیار حساس می‌کند. اما بیشتر نانوحسگرها تا زمانی که در یک فرآیند 12 ساعته زمان‌بر و پر انرژی با استفاده از دمای بالا برای همجوشی لایه‌های نانوذرات گرم شوند، به طور موثر کار نمی‌کنند و کانال‌هایی ایجاد می‌کنند که به الکترون‌ها اجازه عبور از لایه‌ها را می‌دهند تا حسگر کار کند.

استاد نصیری می گوید: “کوره بیشتر حسگرهای مبتنی بر پلیمر را از بین می برد و نانوحسگرهای حاوی الکترودهای ریز، مانند الکترودهای موجود در یک دستگاه نانوالکترونیک، می توانند ذوب شوند. بسیاری از مواد در حال حاضر نمی توانند برای ساخت حسگرها استفاده شوند، زیرا نمی توانند گرما را تحمل کنند.”

با این حال، تکنیک جدید کشف شده توسط تیم Macquarie این فرآیند گرما فشرده را دور می زند و به نانوحسگرها اجازه می دهد از طیف وسیع تری از مواد ساخته شوند.

 وی افزود: افزودن یک قطره اتانول به لایه حسگر، بدون قرار دادن آن در اجاق، به حرکت اتم‌های روی سطح نانوذرات کمک می‌کند و شکاف‌های بین نانوذرات با پیوستن ذرات به یکدیگر ناپدید می‌شوند. ما نشان دادیم که اتانول کارایی و واکنش سنسورهای ما را بسیار بهبود بخشیده است، فراتر از آنچه که پس از 12 ساعت گرم کردن آنها بدست می آورید.

این روش جدید پس از آن کشف شد که نویسنده ارشد این مطالعه، دانشجوی کارشناسی ارشد Jayden (Xiaohu) Chen، هنگام شستن یک بوته، به طور تصادفی مقداری اتانول را روی یک حسگر پاشید، در حادثه ای که معمولاً این دستگاه های حساس را از بین می برد.

چن می‌گوید: «من فکر می‌کردم سنسور از بین رفته است، اما بعداً متوجه شدم که این نمونه از نمونه‌های دیگری که تا به حال ساخته‌ایم بهتر عمل می‌کند.

دانشیار نصیری می‌گوید که این حادثه ممکن است این ایده را به آنها داده باشد، اما اثربخشی این روش به کار سخت برای شناسایی حجم دقیق اتانول مورد استفاده بستگی دارد.”وقتی جیدن این نتیجه را پیدا کرد، ما با دقت فراوان مقادیر مختلف اتانول را امتحان کردیم. او بارها و بارها آزمایش می‌کرد تا بفهمد چه چیزی موثر است.”

“مثل Goldilocks بود – سه میکرولیتر خیلی کم بود و هیچ تاثیری نداشت، 10 میکرولیتر خیلی زیاد بود و لایه حسگر را پاک کرد، پنج میکرولیتر درست بود!”

این تیم انتظار پتنت هایی در این کشف  را دارد که پتانسیل ایجاد یک هیاهوی بسیار بزرگ در دنیای نانوحسگرها را دارد.

استاد نصیری می‌گوید: «ما دستور العملی برای کارکرد نانوحسگرها ایجاد کرده‌ایم و آن را با حسگرهای نور UV و همچنین با نانوحسگرهایی که دی‌اکسید کربن، متان، هیدروژن و غیره را تشخیص می‌دهند، آزمایش کرده‌ایم – اثر یکسان است».

پس از یک قطره اتانول که به درستی اندازه گیری شد، حسگر در حدود یک دقیقه فعال می شود.