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Sensori chimici al grafene (GFET)

Dalle fughe di sostanze tossiche negli impianti industriali alla somministrazione di farmaci nelle cliniche mediche, c'è sempre una reale necessità di rilevare rapidamente ed efficacemente sostanze chimiche che sono normalmente invisibili ad occhio nudo.

Enormi progressi nella tecnologia di rilevamento chimico negli ultimi anni hanno consentito un rilevamento più efficiente di concentrazioni bassissime di sostanze in molti ambienti diversi.

Il grafene, con le sue qualità uniche, ha dimostrato di essere il materiale "di riferimento" per i ricercatori in questo settore; migliorare notevolmente le prestazioni dei sensori chimici in modo che altri materiali non possono.

Cosa sono i sensori chimici?

In poche parole, un sensore chimico è un dispositivo in grado di rilevare una singola sostanza chimica target e trasformare questa interazione in un output misurabile.

In un mondo ideale, questi dispositivi sarebbero economici da realizzare, portatili e facili da usare, rispondendo istantaneamente con perfetta precisione quando si interagisce con un particolare composto chimico a qualsiasi concentrazione. Sebbene la tecnologia sia in continuo progresso per quanto riguarda l'efficacia dei sensori chimici, tuttavia, c'è ancora del lavoro da fare prima di poter raggiungere questo tipo ideale di dispositivo.

In realtà, i sensori chimici sono più complicati, dovendo essere ottimizzati e adattati a uno specifico tipo di applicazione. Sebbene i sensori siano disponibili in una varietà di tipi, possono essere suddivisi in due categorie:

• Sensori selettivi a lettura diretta come sensori elettrochimici e fibre ottiche e Sensori che contengono una fase iniziale di separazione del campione cromatografica su colonna;

• elettroforetica capillare seguita da una rivelazione sensibile ma non necessariamente selettiva.

Poiché viene sviluppata una più ampia varietà di sensori e vengono condotte ulteriori ricerche per rendere questi dispositivi ancora più efficaci, anche il mercato si sta espandendo per tenere il passo.

Recentemente, il mercato globale dei sensori chimici è stato valutato a 18,56 miliardi di dollari. Si prevede che raggiungerà i 28,16 miliardi di dollari entro il 2023, a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 7,20%.

Grafene e sensori chimici

Nel mondo dei sensori chimici, il grafene ha attirato molta attenzione, anche perché la sua struttura bidimensionale significa che l'intero volume del materiale funge da superficie del sensore.

Inoltre, il grafene fornisce un'eccellente resistenza meccanica, conduttività termica ed elettrica, compattezza e un costo potenzialmente basso, necessario per competere nel mercato in continua crescita dei sensori chimici.

 

La configurazione più semplice e comune per i sensori chimici a base di grafene è il transistor ad effetto di campo al grafene (GFET), un foglio di grafene con un'area di rilevamento tra due contatti metallici. In questo dispositivo, la conducibilità può essere regolata utilizzando l'effetto del campo elettrico con una gate posteriore, ottenendo una sensibilità molto elevata.

La mobilità del vettore dovrebbe essere elevata per garantire perdite minime al riscaldamento. Il grafene è un ottimo candidato per la creazione di GFET superiori come sensori chimici perché il materiale stesso è biocompatibile, può essere utilizzato senza protezione in circostanze ambientali, ha una mobilità estremamente elevata e una bassa resistività. Ciò significa sensori chimici più efficienti che porteranno a computer e dispositivi di misurazione elettronici superiori.

 

Sia come GFET che utilizzando altri design, i sensori di gas e vapore a base di grafene sono stati sotto i riflettori negli ultimi anni grazie alla loro varietà di strutture, prestazioni di rilevamento uniche, condizioni di lavoro a temperatura ambiente e straordinarie prospettive di applicazione.

Oltre al vapore acqueo, il grafene è stato utilizzato per rilevare gas come NH³ , NO², H², CO, SO², H²S, nonché vapore di composti organici volatili, con conseguente forte aumento del numero di pubblicazioni scientifiche su questo argomento.

Il grafene è stato anche utilizzato per rilevare tracce di oppioidi in concentrazioni fino a 10 picogrammi per millilitro di liquido.

Produzione di sensori chimici in grafene

Generalmente, il grafene è prodotto dalla deposizione chimica da vapore (CVD) . Questo processo è un modo per depositare reagenti gassosi su un substrato catalizzatore.

Combinando prima le molecole di gas in una camera a gas, si può formare una pellicola di materiale quando i gas combinati entrano in contatto con il substrato stesso. I gas di scarico vengono quindi pompati dalla camera.

La temperatura è la condizione chiave qui, determinando il tipo di reazione che si verifica e portando a un film prodotto con successo.

Tuttavia, ci sono alcune difficoltà con CVD, inclusa la separazione della pellicola di grafene dal substrato e la creazione di uno strato uniforme di grafene sul substrato.

Sensibilità aumentata per una migliore rilevazione

La semplicità dei GFET e la capacità di regolare la conduttività hanno visto grandi progressi nell'ottimizzazione della sensibilità di questi dispositivi come sensori. Ad esempio, i ricercatori dell'Università di Manchester hanno dimostrato che questi sensori potrebbero rilevare una singola molecola di gas mentre si attacca o si distacca dalla superficie del grafene.

Questa sensibilità è dovuta al fatto che la resistenza elettrica del dispositivo cambia quando qualcosa si attacca al grafene.

Alcuni gas hanno mostrato una variazione della resistenza fino al 15%, mentre altri come il metanolo hanno mostrato una variazione facilmente rilevabile di circa il 5%.

I sensori di grafene CVD realizzati nella Northwestern University, Illinois, hanno mostrato limiti di rilevamento per l'ammoniaca (NH³) a livello di ppb, superiori ai dispositivi disponibili in commercio. Il rilevamento dell'NH³ è essenziale perché, sebbene ampiamente utilizzato nella creazione di farmaci e in molti prodotti commerciali, è caustico e pericoloso, dannoso per l'uomo, con il potenziale di causare inquinamento ambientale.

I GFET sono stati utilizzati anche per rilevare il biossido di azoto (NO²), un altro gas di rilevanza industriale dannoso per l'uomo e l'ambiente. Un team dell'Università Jiao Tong di Shanghai ha sviluppato sensori NO² basati sul grafene con limiti di rilevamento inferiori a ppm, alta sensibilità, nonché eccellente selettività e velocità di risposta.

Tutti gli altri sensori chimici a base di grafene, come quelli per gas idrogeno, anidride carbonica, monossido di carbonio, metano e anidride solforosa, mostrano limiti di rilevamento migliori o alla pari con i sensori disponibili in commercio.

Figura: sensibilità dei sensori di grafene a vari gas (Sens. Actuators B 163 (1), 107–114 (2012))

Più grande, migliore, più efficace

A causa delle sue proprietà fisiche, il grafene CVD di alta qualità è un ottimo candidato per lo sviluppo in molte aree. Uno di questi è la fabbricazione di sensori GFET di ampia area e commercialmente validi. Nel 2015, gli scienziati dell'Università di Glasgow sono riusciti a fabbricare fogli di grafene di ampia area di circa 400 cm²  utilizzando fogli di rame standard in CVD, utilizzando la laminazione a caldo per trasferire il grafene su un substrato in PVC.

Sono inoltre in corso ricerche per espandere la funzionalità dei sensori chimici a base di grafene che vanno dai modulatori sensibili alle sostanze chimiche per l'uso nelle applicazioni dell'Internet delle cose alla creazione di dispositivi elettronici indossabili per l'uso in ospedale, sul campo di battaglia e altro ancora.

Un team dell'Istituto di scienza e tecnologia di Barcellona ha utilizzato il grafene per creare sensori di immagini a banda larga ad alta risoluzione, mentre gli scienziati dell'Università Hanyang in Corea hanno trovato un modo per utilizzare sensori di grafene in dispositivi di realtà virtuale per sentire e distinguere tra diverse trame di superficie.

Con tutto ciò che è accaduto negli ultimi anni, possiamo solo immaginare dove ci porterà il mondo dei sensori chimici al grafene.