(PhysOrg.com) -- Une nouvelle étude du Rensselaer Polytechnic Institute démontre comment la mousse de graphène peut surpasser les principaux capteurs de gaz commerciaux dans la détection de produits chimiques potentiellement dangereux et explosifs. La découverte ouvre la porte à une nouvelle génération de capteurs de gaz à utiliser par les escouades anti-bombes, agents des forces de l'ordre, organisations de défense, et dans divers milieux industriels.

Le nouveau capteur a mesuré avec succès et à plusieurs reprises l'ammoniac (NH3) et le dioxyde d'azote (NO2) à des concentrations aussi faibles que 20 parties par million. Fabriqué à partir de nanofeuillets de graphène continus qui se transforment en une structure semblable à de la mousse de la taille d'un timbre-poste et de l'épaisseur d'un feutre, le capteur est flexible, robuste, et surmonte enfin les lacunes qui ont empêché les détecteurs de gaz à base de nanostructures d'atteindre le marché.

Les résultats de l'étude ont été publiés aujourd'hui dans la revue Rapports scientifiques , publié par Nature Publishing Group. Voir le papier, intitulé "Détection de gaz à haute sensibilité à l'aide d'un réseau de mousse de graphène tridimensionnel macroscopique".

« Nous sommes très heureux de cette nouvelle découverte, qui, selon nous, pourrait conduire à de nouveaux capteurs de gaz commerciaux, " a déclaré le professeur d'ingénierie Rensselaer Nikhil Koratkar, qui a codirigé l'étude avec le professeur Hui-Ming Cheng du Laboratoire national de Shenyang pour la science des matériaux de l'Académie chinoise des sciences. « Jusqu'à présent, les capteurs se sont avérés nettement plus sensibles pour détecter l'ammoniac et le dioxyde d'azote à température ambiante que les détecteurs de gaz commerciaux sur le marché aujourd'hui.

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont montré que les nanostructures individuelles sont extrêmement sensibles aux produits chimiques et aux différents gaz. Construire et faire fonctionner un dispositif utilisant une nanostructure individuelle pour la détection de gaz, cependant, s'est avéré beaucoup trop complexe, cher, et peu fiable pour être commercialement viable, dit Koratkar. Une telle entreprise impliquerait de créer et de manipuler la position de la nanostructure individuelle, le localiser à l'aide de la microscopie, utiliser la lithographie pour appliquer des contacts en or, suivi d'autres lents, étapes coûteuses. Intégré dans un appareil portable, une telle nanostructure unique peut être facilement endommagée et rendue inutilisable. En outre, il peut être difficile de « nettoyer » le gaz détecté de la nanostructure unique.

La nouvelle structure de la taille d'un timbre-poste développée par Koratkar a toutes les mêmes propriétés attractives qu'une nanostructure individuelle, mais est beaucoup plus facile à travailler en raison de sa grande taille, taille macroscopique. Les collaborateurs de Koratkar à l'Académie chinoise des sciences ont cultivé du graphène sur une structure de mousse de nickel. Après avoir retiré la mousse de nickel, ce qui reste est un grand, réseau autonome de graphène de type mousse. Essentiellement une seule couche de graphite que l'on trouve couramment dans nos crayons ou le charbon de bois que nous brûlons sur nos barbecues, Le graphène est une feuille d'atomes de carbone de l'épaisseur d'un atome disposée comme une clôture en grillage à l'échelle nanométrique. Les parois du capteur de graphène de type mousse sont constituées de feuilles de graphène continues sans aucune rupture physique ni interface entre les feuilles.

Koartkar et ses étudiants ont développé l'idée d'utiliser cette structure en mousse de graphène comme détecteur de gaz. En raison de l'exposition de la mousse de graphène à de l'air contaminé par des traces d'ammoniac ou de dioxyde d'azote, les chercheurs ont découvert que les particules de gaz collaient, ou adsorbé, à la surface de la mousse. Ce changement dans la chimie de surface a un impact distinct sur la résistance électrique du graphène. La mesure de ce changement de résistance est le mécanisme par lequel le capteur peut détecter différents gaz.

En outre, le détecteur de gaz à mousse de graphène est très pratique à nettoyer. En appliquant un courant d'environ 100 milliampères à travers la structure de graphène, L'équipe de Koratkar a pu chauffer suffisamment la mousse de graphène pour la détacher, ou désorber, toutes les particules de gaz adsorbées. Ce mécanisme de nettoyage n'a aucun impact sur la capacité de la mousse de graphène à détecter les gaz, ce qui signifie que le processus de détection est entièrement réversible et qu'un appareil basé sur cette nouvelle technologie serait de faible puissance - pas besoin de radiateurs externes pour nettoyer la mousse - et réutilisable.

Koratkar a choisi l'ammoniac comme gaz d'essai pour démontrer la preuve de concept de ce nouveau détecteur. Le nitrate d'ammonium est présent dans de nombreux explosifs et est connu pour se décomposer progressivement et libérer des traces d'ammoniac. Par conséquent, les détecteurs d'ammoniac sont souvent utilisés pour tester la présence d'un explosif. Un gaz toxique, l'ammoniac est également utilisé dans une variété de procédés industriels et médicaux, pour lesquels des détecteurs sont nécessaires pour surveiller les fuites.

Les résultats de l'étude montrent que la nouvelle structure de mousse de graphène a détecté de l'ammoniac à 1, 000 parties par million en 5 à 10 minutes à température ambiante et pression atmosphérique. Le changement d'accompagnement de la résistance électrique du graphène était d'environ 30 pour cent. Cela se compare favorablement aux capteurs polymères conducteurs disponibles dans le commerce, qui subissent un changement de résistance de 30 pour cent en 5 à 10 minutes lorsqu'ils sont exposés à 10, 000 parties par million d'ammoniac. Dans le même laps de temps et avec le même changement de résistance, le détecteur de mousse de graphène était 10 fois plus sensible. La sensibilité du détecteur de mousse de graphène est efficace jusqu'à 20 parties par million, beaucoup plus bas que les appareils disponibles dans le commerce. En outre, de nombreux appareils disponibles dans le commerce nécessitent une consommation d'énergie élevée car ils offrent une sensibilité adéquate uniquement à des températures élevées, alors que le détecteur de mousse au graphène fonctionne à température ambiante.

L'équipe de Koratkar a utilisé du dioxyde d'azote comme deuxième gaz d'essai. Différents explosifs dont la nitrocellulose se dégradent progressivement, et sont connus pour produire du dioxyde d'azote gazeux en tant que sous-produit. Par conséquent, le dioxyde d'azote est également utilisé comme marqueur lors des tests d'explosifs. En outre, le dioxyde d'azote est un polluant commun trouvé dans la combustion et les émissions automobiles. De nombreux systèmes de surveillance environnementale différents disposent d'une détection de dioxyde d'azote en temps réel.

Le nouveau capteur de mousse de graphène a détecté du dioxyde d'azote à 100 parties par million par un changement de résistance de 10 pour cent en 5 à 10 minutes à température ambiante et pression atmosphérique. Il s'est avéré 10 fois plus sensible que les capteurs polymères conducteurs commerciaux, qui détectent généralement le dioxyde d'azote à 1, 000 parties par million en même temps et avec la même chance de résistance à température ambiante. D'autres détecteurs de dioxyde d'azote disponibles aujourd'hui nécessitent une consommation électrique élevée et des températures élevées pour fournir une sensibilité adéquate. Le capteur de mousse de graphène peut détecter le dioxyde d'azote jusqu'à 20 parties par million à température ambiante.

« Nous voyons cela comme le premier détecteur de gaz pratique basé sur la nanostructure qui est viable pour la commercialisation, " dit Koratkar, professeur au Département de mécanique, Aérospatial, et Ingénierie nucléaire à Rensselaer. "Nos résultats montrent que la mousse de graphène est capable de détecter l'ammoniac et le dioxyde d'azote à une concentration inférieure d'un ordre de grandeur à celle des détecteurs de gaz commerciaux sur le marché aujourd'hui."

La mousse de graphène peut être conçue pour détecter de nombreux gaz différents au-delà de l'ammoniac et du dioxyde d'azote, il a dit.

Des études ont montré la conductivité électrique d'un nanotube individuel, nanofil, ou la feuille de graphène est extrêmement sensible à l'adsorption de gaz. Mais la petite taille des nanostructures individuelles rendait le développement d'un dispositif coûteux et difficile, De plus, les structures sont délicates et ne donnent souvent pas des résultats cohérents.

Le nouveau capteur de gaz en mousse de graphène surmonte ces défis. Il est facile à manipuler et à manipuler en raison de sa grande taille, taille macroscopique. Le capteur est également flexible, robuste, et suffisamment robuste pour résister à l'usure à l'intérieur d'un appareil. De plus, il est entièrement réversible, et les résultats qu'il fournit sont cohérents et reproductibles. Le plus important, la mousse de graphène est très sensible, grâce à sa 3-D, structure poreuse qui permet aux gaz de s'adsorber facilement sur son immense surface. Malgré sa grande taille, la structure de mousse de graphène fonctionne essentiellement comme une nanostructure unique. Il n'y a pas de rupture dans le réseau de graphène, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'interfaces à surmonter, et les électrons circulent librement avec peu de résistance. Cela ajoute à la sensibilité de la mousse aux gaz.

« Dans un sens, nous avons surmonté le talon d'Achille de la nanotechnologie pour la détection chimique, ", a déclaré Koratkar. "Une seule nanostructure fonctionne très bien, mais ne signifie pas grand-chose lorsqu'il est appliqué dans un appareil réel dans le monde réel. Lorsque vous essayez de l'agrandir à des proportions macroscopiques, les interfaces défait ce que vous essayez d'accomplir, car les propriétés de la nanostructure sont dominées par les interfaces. Nous sommes maintenant en mesure de faire évoluer le graphène de manière à ce que les interfaces ne soient pas présentes. Cela nous permet de profiter des propriétés intrinsèques de la nanostructure, encore travailler avec une structure macroscopique qui nous donne la répétabilité, fiabilité, et robustesse, mais montre une sensibilité similaire à l'adsorption de gaz en tant que nanostructure unique.