Neue kostengünstige, langlebige Kohlenstoffnanoröhrchensensoren können mit Druckbleistiften geätzt werden.
Kohlenstoffnanoröhren bieten eine leistungsstarke neue Möglichkeit, schädliche Gase in der Umwelt zu erkennen. Die für den Bau von Kohlenstoffnanoröhrchensensoren typischen Methoden sind jedoch gefährlich und nicht für die Produktion in großem Maßstab geeignet.
Die Chemiker des MIT entwickelten eine neue Art von Bleistiftmine aus Kohlenstoffnanoröhrchen, mit der sie Kohlenstoffnanoröhrchensensoren auf Papierbögen zeichnen können. Bildnachweis: Jan Schnorr
Eine neue Herstellungsmethode, die von MIT-Chemikern entwickelt wurde - so einfach wie das Zeichnen einer Linie auf einem Blatt Papier - könnte dieses Hindernis überwinden. MIT-Postdoc Katherine Mirica hat eine neue Art von Bleistiftmine entwickelt, bei der Graphit durch ein komprimiertes Pulver aus Kohlenstoffnanoröhren ersetzt wird. Mit der Mine, die mit einem normalen Druckbleistift verwendet werden kann, können Sensoren auf jede Papieroberfläche geschrieben werden.
Der in der Zeitschrift Angewandte Chemie beschriebene Sensor erkennt kleinste Mengen von Ammoniakgas, einem industriellen Risiko. Timothy Swager, Professor für Chemie bei John D. MacArthur und Leiter des Forschungsteams, sagt, die Sensoren könnten so angepasst werden, dass sie nahezu jede Art von Gas erfassen.
"Das Schöne daran ist, dass wir damit beginnen können, alle möglichen chemisch spezifischen funktionalisierten Materialien herzustellen", sagt Swager. "Wir glauben, dass wir Sensoren für fast alles herstellen können, was flüchtig ist."
Weitere Autoren der Arbeit sind der Doktorand Jonathan Weis sowie die Postdocs Jan Schnorr und Birgit Esser.
Bleistift hinein
Kohlenstoffnanoröhren sind Blätter aus Kohlenstoffatomen, die zu Zylindern gerollt werden, damit Elektronen ungehindert fließen können. Es hat sich gezeigt, dass solche Materialien wirksame Sensoren für viele Gase sind, die an die Nanoröhren binden und den Elektronenfluss behindern. Die Herstellung dieser Sensoren erfordert jedoch das Auflösen von Nanoröhren in einem Lösungsmittel wie Dichlorbenzol unter Verwendung eines Prozesses, der gefährlich und unzuverlässig sein kann.
Swager und Mirica machten sich daran, eine lösungsmittelfreie Herstellungsmethode auf Papierbasis zu entwickeln. Inspiriert von Bleistiften auf ihrem Schreibtisch hatte Mirica die Idee, Kohlenstoffnanoröhren zu einem graphitähnlichen Material zu komprimieren, das Bleistiftmine ersetzen könnte.
Um mit dem Bleistift Sensoren zu erzeugen, zeichnen die Forscher eine Linie von Kohlenstoffnanoröhren auf ein Blatt Papier, das mit kleinen Elektroden aus Gold versehen ist. Sie legen dann elektrischen Strom an und messen den Strom, der durch den Kohlenstoffnanoröhrenstreifen fließt, der als Widerstand fungiert. Wenn sich der Strom ändert, hat sich Gas an die Kohlenstoffnanoröhren gebunden.
Die Forscher testeten ihr Gerät auf verschiedenen Papiersorten und stellten fest, dass Sensoren auf glatteren Papieren die beste Reaktion zeigten. Sie stellten auch fest, dass die Sensoren auch dann konsistente Ergebnisse liefern, wenn die Markierungen nicht gleichmäßig sind.
Zwei Hauptvorteile der Technik sind, dass sie kostengünstig ist und die „Bleistiftmine“ extrem stabil ist, sagt Swager. "Sie können sich keine stabilere Formulierung vorstellen. Die Moleküle sind immobilisiert “, sagt er.
Der neue Sensor könnte sich für eine Vielzahl von Anwendungen als nützlich erweisen, sagt Zhenan Bao, Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University. „Ich kann mir bereits viele Möglichkeiten vorstellen, wie diese Technik zum Bau von Kohlenstoffnanoröhrengeräten erweitert werden kann“, sagt Bao, der nicht Teil des Forschungsteams war. „Im Vergleich zu anderen typischen Techniken wie Schleuderbeschichten, Tauchbeschichten oder Inkjet-Verfahren bin ich beeindruckt von der guten Reproduzierbarkeit des Erfassungsverhaltens, das sie erzielen konnten.“
Sensoren für jedes Gas
In dieser Studie konzentrierten sich die Forscher auf reine Kohlenstoffnanoröhren, arbeiten jedoch derzeit an der Anpassung der Sensoren zur Erkennung einer Vielzahl von Gasen. Die Selektivität kann durch Hinzufügen von Metallatomen zu den Wänden der Nanoröhren oder durch Umwickeln der Röhren mit Polymeren oder anderen Materialien geändert werden.
Ein Gas, an dem die Forscher besonders interessiert sind, ist Ethylen, mit dessen Hilfe der Reifegrad von Früchten während des Versands und der Lagerung überwacht werden kann. Das Team verfolgt auch Sensoren für Schwefelverbindungen, die sich zur Erkennung von Erdgaslecks als hilfreich erweisen könnten.
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