Ein Tropfen Ethanol soll die Herstellung von Nanosensoren revolutionieren

4. August 2023

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von der Macquarie University

Ingenieure der Macquarie University haben eine neue Technik entwickelt, um die Herstellung von Nanosensoren weitaus weniger kohlenstoffintensiv, viel billiger, effizienter und vielseitiger zu machen und damit einen Schlüsselprozess in dieser Billionen-Dollar-Weltindustrie erheblich zu verbessern.

Das Team hat einen Weg gefunden, jeden Sensor mit einem einzigen Tropfen Ethanol zu behandeln, anstatt mit dem herkömmlichen Verfahren, bei dem Materialien auf hohe Temperaturen erhitzt werden.

Ihre in Advanced Functional Materials veröffentlichte Forschung trägt den Titel „Kapillargesteuerte selbstorganisierte Mikrocluster für hochleistungsfähige UV-Detektoren“.

„Nanosensoren bestehen normalerweise aus Milliarden von Nanopartikeln, die auf einer kleinen Sensoroberfläche abgelagert sind – aber die meisten dieser Sensoren funktionieren bei der ersten Herstellung nicht“, sagt der entsprechende Autor, Associate Professor Noushin Nasiri, Leiter des Nanotech Laboratory an der School of Engineering der Macquarie University .

Die Nanopartikel fügen sich zu einem Netzwerk zusammen, das durch schwache natürliche Bindungen zusammengehalten wird, die so viele Lücken zwischen den Nanopartikeln hinterlassen können, dass sie keine elektrischen Signale übertragen können, sodass der Sensor nicht funktioniert.

Das Team von außerordentlichem Professor Nasiri entdeckte die Entdeckung, als es an der Verbesserung von UV-Lichtsensoren arbeitete, der Schlüsseltechnologie hinter Sunwatch, wodurch Nasiri Finalist für den Eureka-Preis 2023 wurde.

Nanosensoren haben ein enormes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und bestehen aus Schichten von Nanopartikeln, wodurch sie äußerst empfindlich gegenüber der Substanz sind, die sie erkennen sollen. Die meisten Nanosensoren funktionieren jedoch erst effektiv, wenn sie in einem zeitaufwändigen und energieintensiven 12-Stunden-Prozess erhitzt werden, bei dem Schichten von Nanopartikeln bei hohen Temperaturen verschmelzen und Kanäle entstehen, die es Elektronen ermöglichen, durch Schichten zu dringen, damit der Sensor funktioniert.

„Der Ofen zerstört die meisten Sensoren auf Polymerbasis, und Nanosensoren, die winzige Elektroden enthalten, wie sie in einem nanoelektronischen Gerät vorkommen, können schmelzen. Viele Materialien können derzeit nicht zur Herstellung von Sensoren verwendet werden, weil sie Hitze nicht standhalten“, sagt außerordentlicher Professor Nasiri .

Die vom Macquarie-Team entdeckte neue Technik umgeht diesen wärmeintensiven Prozess jedoch und ermöglicht die Herstellung von Nanosensoren aus einer viel breiteren Palette von Materialien.

„Das Hinzufügen eines Tropfens Ethanol auf die Sensorschicht, ohne ihn in den Ofen zu geben, hilft den Atomen auf der Oberfläche der Nanopartikel, sich zu bewegen, und die Lücken zwischen den Nanopartikeln verschwinden, wenn sich die Partikel miteinander verbinden“, sagt außerordentlicher Professor Nasiri sagt.

„Wir haben gezeigt, dass Ethanol die Effizienz und Reaktionsfähigkeit unserer Sensoren erheblich verbessert hat, und zwar über das hinaus, was man nach 12-stündigem Erhitzen erreichen würde.“

Die neue Methode wurde entdeckt, nachdem der Hauptautor der Studie, der Doktorand Jayden (Xiaohu) Chen, beim Waschen eines Tiegels versehentlich etwas Ethanol auf einen Sensor gespritzt hatte, was normalerweise zur Zerstörung dieser empfindlichen Geräte führte.

„Ich dachte, der Sensor sei zerstört, aber später wurde mir klar, dass die Probe alle anderen Proben, die wir je hergestellt hatten, übertraf“, sagt Chen.

Associate Professor Nasiri sagt, dass der Unfall sie vielleicht auf die Idee gebracht habe, aber die Wirksamkeit der Methode hing von sorgfältiger Arbeit ab, um die genaue Menge des verwendeten Ethanols zu ermitteln.

„Als Jayden dieses Ergebnis fand, probierten wir noch einmal sehr sorgfältig verschiedene Mengen Ethanol aus. Er testete immer wieder, um herauszufinden, was funktionierte“, sagt sie.

„Es war wie bei Goldlöckchen – drei Mikroliter waren zu wenig und bewirkten keine Wirkung, 10 Mikroliter waren zu viel und zerstörten die Sensorschicht, fünf Mikroliter waren genau richtig!“

Das Team hat Patente für die Entdeckung angemeldet, die das Potenzial hat, in der Welt der Nanosensoren für großes Aufsehen zu sorgen.

„Wir haben ein Rezept entwickelt, um Nanosensoren zum Funktionieren zu bringen, und wir haben es mit UV-Lichtsensoren sowie mit Nanosensoren getestet, die Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff und mehr erkennen – der Effekt ist der gleiche“, sagt Associate Professor Nasiri.

„Nach einem korrekt abgemessenen Tropfen Ethanol wird der Sensor in etwa einer Minute aktiviert. Dadurch wird ein langsamer, sehr energieintensiver Prozess zu einem weitaus effizienteren Prozess.“

Mehr Informationen: Xiaohu Chen et al., Kapillargetriebene selbstorganisierte Mikrocluster für hochleistungsfähige UV-Fotodetektoren, Advanced Functional Materials (2023). DOI: 10.1002/adfm.202302808

Zeitschrifteninformationen:Fortschrittliche Funktionsmaterialien

Zur Verfügung gestellt von der Macquarie University