La scrittura laser può consentire il "naso elettronico" per il multi

29 giugno 2022

Di Ashley J. WennersHerron, Pennsylvania State University

I sensori ambientali sono un passo avanti verso l’individuazione simultanea di più gas che potrebbero indicare malattie o inquinamento, grazie a una collaborazione con la Penn State. Huanyu "Larry" Cheng, assistente professore di ingegneria e meccanica al College of Engineering, e Lauren Zarzar, assistente professore di chimica all'Eberly College of Science, e i loro team hanno combinato la scrittura laser e le tecnologie dei sensori reattivi per fabbricare la prima microscala altamente personalizzabile dispositivi di rilevamento del gas.

Hanno pubblicato la loro tecnica questo mese in ACS Applied Materials & Interfaces.

"Il rilevamento dei gas è di fondamentale importanza in vari campi, tra cui il monitoraggio dell'inquinamento, la garanzia della sicurezza pubblica e l'assistenza sanitaria personale", ha affermato Cheng. "Per soddisfare queste esigenze, i dispositivi di rilevamento devono essere piccoli, leggeri, economici e facili da usare e applicarsi a vari ambienti e substrati, come indumenti o tubazioni."

Secondo Cheng, la sfida è creare dispositivi con le proprietà desiderate che possano comunque essere adattati all'infrastruttura necessaria per un rilevamento preciso e accurato di diversi gas target allo stesso tempo. È qui che entra in gioco l'esperienza di Zarzar con la scrittura laser.

"Le tecniche di scrittura laser offrono libertà di progettazione in un'ampia gamma di campi", ha affermato Zarzar. "Ampliare la nostra comprensione su come sintetizzare, modellare e integrare direttamente nuovi materiali, in particolare nanomateriali e compositi di nanomateriali, in sistemi complessi ci consentirà di creare tecnologie di rilevamento sempre più sofisticate e utili".

Il suo gruppo di ricerca ha sviluppato il processo voxel termico indotto dal laser, che consente la creazione e l'integrazione simultanea di ossidi metallici direttamente nelle piattaforme di sensori. Gli ossidi metallici sono materiali che reagiscono a vari composti, attivando il meccanismo di rilevamento. Con la scrittura laser, i ricercatori dissolvono i sali metallici nell’acqua, quindi focalizzano il laser nella soluzione. L'alta temperatura decompone la soluzione, lasciando dietro di sé nanoparticelle di ossido metallico che possono essere sinterizzate sulla piattaforma del sensore.

Il processo semplifica i metodi precedenti, che richiedevano una maschera predefinita del modello pianificato. Qualsiasi modifica o aggiustamento richiedeva la creazione di una nuova maschera, con un costo di tempo e denaro. La scrittura laser è “senza maschera”, secondo Zarzar, e, se combinata con il processo termico voxel, consente la rapida iterazione e il test di più progetti o materiali per trovare le combinazioni più efficaci.

"La modellazione precisa è anche una componente necessaria per la creazione di 'nasi elettronici', o serie di sensori che agiscono come un naso e possono rilevare con precisione più gas allo stesso tempo", ha affermato Alexander Castonguay, studente laureato in chimica e co-primo autore sul giornale. "Un rilevamento così preciso richiede la modellazione di materiali diversi in stretta prossimità, alla microscala più sottile. Poche tecniche di modellazione hanno la risoluzione per farlo, ma l'approccio dettagliato in questo studio sì. Abbiamo intenzione di utilizzare le tecniche e i materiali qui descritti per sviluppare prototipi di naso elettronico."

I ricercatori hanno testato cinque diversi metalli e combinazioni di metalli attualmente utilizzati nei sensori. Secondo Castonguay, il punto in cui diversi ossidi metallici si toccano, chiamato eterogiunzione, crea un ambiente unico all’interfaccia dei due materiali che migliora la risposta dei sensori di gas. Il team ha scoperto che un’eterogiunzione di ossido di rame e ossido di zinco ha una risposta migliore da 5 a 20 volte ai gas testati – etanolo, acetone, biossido di azoto, ammoniaca e idrogeno solforato – rispetto al solo ossido di rame.

"Questa scoperta supporta altri rapporti nella letteratura scientifica secondo cui la creazione di sistemi a ossido misto può portare a aumenti significativi nella risposta del sensore e dimostra l'efficacia della tecnica del voxel termico indotto dal laser per la fabbricazione di sensori di gas a ossido misto", ha affermato Castonguay. "Speriamo che unendo la conoscenza della scrittura laser del gruppo Zarzar con l'esperienza dei sensori indossabili del gruppo Cheng, saremo in grado di espandere le nostre capacità per creare sensori nuovi e personalizzabili."