Une nouvelle compréhension des nanomatériaux, les approches de conception et de fabrication de capteurs pourraient aider à faire progresser l'étirable, des capteurs de gaz portables qui surveillent les biomarqueurs gazeux chez l'homme et les gaz toxiques dans un environnement exposé, selon les chercheurs de Penn State.

Dirigé par Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Professeur de développement de carrière au Penn State Department of Engineering Science and Mechanics, l'équipe de recherche a récemment publié une revue de l'état actuel des capteurs extensibles à détection de gaz dans Tendances en chimie analytique .

Les développements récents des technologies de détection de gaz ont permis de détecter des biomarqueurs gazeux chez l'homme en surveillant le processus métabolique par l'air expiré ou la transpiration cutanée et de détecter les gaz nocifs ou toxiques dans l'environnement humain. Les mouvements humains qui étirent considérablement la peau peuvent dégrader ou déformer les capteurs, le rendant incapable de détecter les gaz avec précision. Pour faire un capteur plus résistant, Cheng et son équipe ont étudié les méthodes de fabrication de capteurs les plus efficaces qui pourraient fonctionner pour une variété d'applications.

"Avec les récents développements de l'analyse de l'haleine, nous commençons à créer un élan vers le développement d'un capteur de gaz qui pourrait avoir une plus grande plate-forme d'applications, " dit Cheng.

Selon Cheng, les capteurs de gaz peuvent aider à établir un diagnostic médical plus précoce en détectant les composés organiques volatils (COV) de l'haleine humaine, ce qui peut indiquer la présence de plusieurs maladies, y compris la dysenterie amibienne, infections bactériennes intestinales et cancer. Les capteurs précédents ne pouvaient surveiller que les niveaux de glucose et de pH.

"De la transpiration de la peau humaine et du souffle expiré, nous en avons environ 2, 600 biomarqueurs sous forme gazeuse, " a déclaré Cheng. " Cela nous donne des informations vitales que nous pouvons exploiter dans le développement de diagnostics de maladies. "

En plus de surveiller ces biomarqueurs, les capteurs peuvent détecter des niveaux dangereux de gaz toxiques pouvant être présents dans l'environnement humain. Par exemple, les capteurs pourraient détecter des niveaux dangereux de méthane dans les mines de charbon et potentiellement surveiller la santé et la sécurité des mineurs de charbon.

Les capteurs de gaz actuels présentent des caractéristiques similaires aux versions étudiées par l'équipe, mais ils ont des défauts, selon Cheng. Par exemple, les capteurs de gaz à base d'oxyde métallique ont des températures de fonctionnement élevées, les rendant trop chaudes pour que les gens les portent. En améliorant la fabrication des capteurs de gaz actuels, Cheng a déclaré qu'il prévoyait de développer un capteur de gaz plus fiable et plus sûr.

Les chercheurs sont particulièrement intéressés par une nouvelle plate-forme qui intègre directement le graphène induit par laser (LIG) via un simple processus de traçage laser. Selon Cheng, il s'agit d'un moyen rentable de développer une approche plus sensible, capteur plus sélectif capable de détecter rapidement les COV et les gaz nocifs à des niveaux ultra-faibles.

Le LIG est très poreux et peut être intégré à des nanomatériaux à base de carbone ou d'oxydes métalliques, qui sont très sensibles aux gaz. La plate-forme de Cheng se compose d'un laser LIG gravé sur un film qui est transféré sur un substrat souple et recouvert d'un métal conducteur pour réduire sa résistance. En raison de la résistance réduite créée par cette méthode, le capteur peut facilement induire un auto-échauffement. L'oxyde de métal mélangé intégré à la nouvelle plate-forme de détection de gaz LIG rend ses températures de travail nettement inférieures à celles de l'ancien capteur de gaz à base d'oxyde de métal.

Cheng et ses collègues étudient également comment les formes des matériaux composites comprenant des vêtements, les capteurs de gaz extensibles peuvent affecter leurs performances de détection environnementale.

« Bien qu'une variété de nanomatériaux aient été utilisés pour les capteurs de gaz extensibles, il existe encore une large gamme de nanomatériaux sensibles aux gaz couramment utilisés dans les capteurs de gaz rigides qui ne sont pas explorés dans leurs homologues étirables, " a déclaré Cheng. " Nous sommes très intéressés à explorer ces nouveaux nanomatériaux pour fournir une sélectivité distincte, haute sensibilité, des réponses rapides et des limites de détection étendues pour une nouvelle classe de capteurs de gaz extensibles."