Des capteurs de gaz ultrasensibles basés sur l'infusion d'atomes de bore dans du graphène - une matrice d'atomes de carbone étroitement liés - pourraient bientôt être possibles, selon une équipe internationale de chercheurs de six pays.

Le graphène est connu pour sa force remarquable et sa capacité à transporter des électrons à grande vitesse, mais c'est aussi un capteur de gaz très sensible. Avec l'ajout d'atomes de bore, les capteurs de bore graphène ont pu détecter des molécules de gaz nocifs à des concentrations extrêmement faibles, parties par milliard pour les oxydes d'azote et parties par million pour l'ammoniac, les deux gaz testés à ce jour. Cela se traduit par une sensibilité 27 fois supérieure aux oxydes d'azote et 10, Sensibilité 000 fois supérieure à l'ammoniac par rapport au graphène vierge. Les chercheurs pensent que ces résultats, rapporté aujourd'hui (2 novembre) dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , ouvrira la voie à des capteurs hautes performances capables de détecter des traces de nombreuses autres molécules.

"C'est un projet que nous poursuivons depuis quatre ans, " a déclaré Mauricio Terrones, professeur de physique, chimie et science des matériaux à Penn State. "Auparavant, nous pouvions doper le graphène avec des atomes d'azote, mais le bore s'est avéré beaucoup plus difficile. Une fois que nous avons pu synthétiser ce que nous pensions être du bore graphène, nous avons collaboré avec des experts aux États-Unis et dans le monde pour confirmer nos recherches et tester les propriétés de notre matériau."

Le bore et l'azote se trouvent à côté du carbone sur le tableau périodique, rendant leur substitution possible. Mais les composés du bore sont très sensibles à l'air et se décomposent rapidement lorsqu'ils sont exposés à l'atmosphère. Des feuilles d'un centimètre carré ont été synthétisées à Penn State dans un système unique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par barboteur. Le résultat était une grande surface, feuilles de graphène dopées au bore de haute qualité.

Une fois fabriqué, les chercheurs ont envoyé des échantillons de bore graphène aux chercheurs du Honda Research Institute USA Inc., Colomb, Ohio, qui ont testé les échantillons contre leurs propres capteurs de gaz hautement sensibles. Le laboratoire de Konstantin Novoselov à l'Université de Manchester, ROYAUME-UNI, ont étudié le mécanisme de transport des capteurs. Novoselov a été lauréat du prix Nobel de physique en 2010. Des collaborateurs théoriques aux États-Unis et en Belgique ont fait correspondre les images de microscopie à effet tunnel à des images expérimentales, ont confirmé la présence des atomes de bore dans le réseau de graphène et leur effet lors de l'interaction avec des molécules d'ammoniac ou d'oxyde d'azote. Des collaborateurs au Japon et en Chine ont également contribué à la recherche.

« Cette recherche multidisciplinaire ouvre une nouvelle voie pour une exploration plus poussée des capteurs de gaz ultrasensibles, " a déclaré Avetik Harutyunyan, scientifique en chef et chef de projet au Honda Research Institute USA Inc. "Notre approche combine de nouveaux nanomatériaux avec un rayonnement ultraviolet continu dans la conception de capteurs qui ont été développés dans notre laboratoire par le chercheur principal Dr Gugang Chen au cours des cinq dernières années. Nous pensons que le développement ultérieur de cette technologie peut dépasser la limite de détection des parties par quadrillion, ce qui représente une sensibilité jusqu'à six ordres de grandeur supérieure à celle des capteurs de pointe actuels."

Ces capteurs peuvent être utilisés pour les laboratoires et les industries qui utilisent de l'ammoniac, un danger hautement corrosif pour la santé, ou pour détecter les oxydes d'azote, un polluant atmosphérique dangereux émis par les pots d'échappement des automobiles. En plus de détecter les gaz toxiques ou inflammables, les travaux théoriques indiquent que le graphène dopé au bore pourrait conduire à des batteries lithium-ion améliorées et des transistors à effet de champ, rapportent les auteurs.