Les dernières recherches d'un ingénieur chimiste de la Kansas State University pourraient aider à améliorer les capteurs d'humidité et de pression, en particulier ceux utilisés dans l'espace.

Vikas Berry, William H. Honstead professeur de génie chimique, et son équipe de recherche utilisent des points quantiques de graphène pour améliorer les dispositifs de détection dans un double projet. La première partie consiste à produire les points quantiques de graphène, qui sont de très petits morceaux de graphène. Le graphène est une feuille épaisse d'un seul atome d'atomes de carbone et a une puissance électrique supérieure, propriétés mécaniques et optiques. La deuxième partie du projet consiste à incorporer ces points quantiques dans des dispositifs de détection basés sur un tunnel d'électrons.

Pour créer les points quantiques de graphène, les chercheurs ont utilisé une coupe nanométrique de graphite pour produire des nanorubans de graphène. T.S. Sreeprasad, chercheur postdoctoral dans le groupe Berry, clivé chimiquement ces rubans en dimensions latérales de 100 nanomètres.

Les scientifiques ont assemblé les points quantiques en un réseau sur une microfibre hydroscopique qui était attachée à des électrodes sur ses deux côtés. Ils ont placé les points quantiques assemblés à moins d'un nanomètre l'un de l'autre afin qu'ils ne soient pas complètement connectés. L'assemblage des points est similaire à la structure d'un épi de maïs :les grains de maïs sont des points quantiques à l'échelle nanométrique et l'épi est la microfibre.

Plusieurs chercheurs, dont quatre diplômés de 2012 en génie chimique :Augustus Graham, Alfredo A. Rodriguez, Jonathan Colston et Evgeniy Shishkin — ont appliqué un potentiel à travers la fibre et contrôlé la distance entre les points quantiques en ajustant l'humidité locale, qui modifie le courant circulant dans les points.

"Si vous réduisez l'humidité autour de cet appareil, l'eau retenue par cette fibre est perdue, " dit Berry. " En conséquence, la fibre se rétrécit et les composants graphéniques situés au sommet se rapprochent les uns des autres à l'échelle nanométrique. Cela augmente le transport d'électrons d'un point à l'autre. Rien qu'en lisant les courants, on peut déterminer l'humidité de l'environnement."

Diminuer la distance entre les points quantiques de graphène de 0,35 nanomètres a multiplié par 43 la conductivité de l'appareil, dit Berry. Par ailleurs, car l'air contient de l'eau, la réduction de la pression de l'air a diminué sa teneur en eau et a rapproché les points quantiques de graphène, ce qui augmente la conductivité. La mécanique quantique suggère que les électrons ont une probabilité finie de passer d'une électrode à une électrode non connectée, dit Berry. Cette probabilité est inversement et exponentiellement proportionnelle à la distance de tunnellisation, ou l'espace entre les électrodes.

La recherche a de nombreuses applications, en particulier dans l'amélioration des capteurs d'humidité, pression ou température.

"Ces appareils sont uniques parce que, contrairement à la plupart des capteurs d'humidité, ceux-ci sont plus réactifs dans le vide, " dit Berry. " Par exemple, ces appareils peuvent être intégrés aux navettes spatiales, où des mesures de faible humidité sont requises. Ces capteurs pourraient également détecter des traces d'eau sur Mars, qui a 1/100e de la pression atmosphérique terrestre. C'est parce que l'appareil mesure l'humidité à une résolution beaucoup plus élevée dans le vide."

Alors que le cœur de l'appareil est la modulation de l'effet tunnel d'électrons, la réponse du dispositif se fait à travers la microfibre polymère, dit Berry. Son équipe cherche également à changer le polymère pour trouver d'autres applications pour cette recherche.

"Si vous remplacez ce polymère par un polymère sensible à d'autres stimuli, vous pouvez faire un autre type de capteur, " a déclaré Berry. " J'imagine que ce projet aura un large impact sur la détection. "

La recherche est soutenue par le programme quinquennal de Berry, 400 $, 000 Prix CARRIÈRE de la National Science Foundation. Les résultats de la recherche paraissent dans un numéro récent de la revue Lettres nano dans un article intitulé "Electron-tunneling modulation in percolating-network of graphene quantum dots:fabrication, compréhension phénoménologique, et applications de détection d'humidité/pression."

L'équipe de recherche de Berry étudie également les machines moléculaires interfacées avec le graphène. Dans ce travail, les chercheurs sont capables d'actionner mécaniquement les molécules, qui subissent une modification du champ électrique autour d'eux et influencent la densité de porteurs du graphène interfacé. Ce travail paraîtra dans un prochain numéro de la revue Petit dans un article intitulé « Fonctionnalisation covalente de molécules modulant le dipôle sur le graphène tricouche :une avenue pour les machines moléculaires à interface au graphène ».

Les chercheurs ont découvert que le graphène réagit de manière sensible au mouvement moléculaire. Phong Nguyen, doctorant en génie chimique et auteur principal de l'ouvrage, attaché des molécules d'actionnement sur du graphène et mesuré la réponse de l'appareil.

"La prochaine phase de la science au-delà de la nanotechnologie sera la technologie moléculaire, ", a déclaré Berry. "Nous travaillons sur le développement de voies pour incorporer des machines moléculaires dans des appareils."