Épingler des rubans de carbone de la taille de l'ADN à un capteur de gaz peut augmenter sa sensibilité bien mieux que tout autre matériau de carbone connu, dit une nouvelle étude de l'Université du Nebraska-Lincoln.

L'équipe a développé une nouvelle forme de nano-ruban à base de graphène, un nid d'abeilles 2-D d'atomes de carbone. Lorsque les chercheurs ont intégré un film de nano-rubans dans le circuit d'un capteur de gaz, il répondait environ 100 fois plus sensible aux molécules que les capteurs contenant même les matériaux à base de carbone les plus performants.

"Nous avons précédemment étudié des capteurs basés sur d'autres matériaux à base de carbone tels que le graphène et l'oxyde de graphène, " a déclaré Alexandre Sinitskii, professeur agrégé de chimie au Nebraska. "Dans le cas des nano-rubans de graphène, nous étions certains que nous verrions une réponse du capteur, mais nous ne nous attendions pas à ce qu'il soit beaucoup plus élevé que tout ce que nous avons vu dans le passé."

Rapporter leurs découvertes dans le journal Communication Nature , les chercheurs ont montré que les molécules de gaz peuvent considérablement altérer la résistance électrique des films de nano-ruban. Différents gaz ont produit des signatures de résistance variables, permettant au capteur de les distinguer.

"Avec plusieurs capteurs sur une puce, nous avons pu démontrer que nous pouvons différencier des molécules qui ont à peu près la même nature chimique, " dit Sinitskii, membre du Nebraska Center for Materials and Nanoscience. "Par exemple, nous pouvons distinguer le méthanol et l'éthanol. Ainsi, ces capteurs basés sur des nano-rubans de graphène peuvent être non seulement sensibles mais aussi sélectifs."

Sinitskii et ses collègues soupçonnent que les performances remarquables des nano-rubans proviennent en partie d'une interaction inhabituelle entre les rubans et les molécules de gaz. Contrairement à ses prédécesseurs, les nano-rubans de l'équipe - qui ressemblent à des rangées ordonnées de rayures de chemise de Charlie Brown - se tiennent verticalement plutôt que de reposer à plat sur une surface. L'équipe a proposé que les molécules de gaz puissent écarter ces rangées, allongeant efficacement les écarts entre les nano-rubans que les électrons doivent sauter pour conduire l'électricité.

Entrez dans l'anneau (benzène)

Graphène, dont la découverte en 2004 a finalement remporté un prix Nobel, possède une conductivité électrique inégalée. Mais l'absence de bande interdite du matériau – qui oblige les électrons à gagner de l'énergie avant de sauter de leurs orbites proches autour des atomes vers une « bande de conduction » externe qui pilote la conductivité – a initialement empêché les chercheurs de désactiver cette conductivité. Cette, à son tour, a posé des défis à l'application du graphène dans l'électronique qui nécessitent d'ajuster la conductivité du matériau à volonté.

Une solution potentielle consistait à couper des feuilles de graphène en rubans nanoscopiques qui, selon les simulations informatiques, posséderaient la bande interdite insaisissable. Cela s'est avéré difficile à faire avec la précision atomique nécessaire pour préserver les propriétés qui ont rendu le graphène attrayant en premier lieu, les chercheurs ont donc commencé à fabriquer des rubans de bas en haut en assemblant stratégiquement des molécules sur certains types de surfaces solides. Bien que le processus ait fonctionné – et que les rubans résultants aient eu une bande interdite – il a limité les chercheurs à fabriquer quelques rubans à la fois.

En 2014, Sinitskii a été le pionnier d'une approche qui pourrait produire en masse des nano-rubans dans une solution liquide, une étape vitale vers la mise à l'échelle de la technologie pour les applications électroniques. Mais les films fabriqués à partir de ces nano-rubans n'étaient pas assez conducteurs pour effectuer des mesures électriques. La dernière étude de l'équipe a adapté l'approche chimique originale en ajoutant des anneaux benzéniques - des molécules circulaires avec six atomes de carbone et d'hydrogène - de chaque côté d'un nano-ruban de première génération. Ces anneaux ont élargi le ruban, réduire sa bande interdite et améliorer sa capacité à conduire l'électricité.

"Les gens ne pensent pas souvent aux nano-rubans de graphène comme un matériau de capteur, " dit Sinitskii. " Cependant, la même (propriété) qui rend les nano-rubans bons pour des dispositifs tels que les transistors - la capacité de changer leur conductivité de plusieurs ordres de grandeur - est également ce qui les rend bons pour les capteurs.

"Il est possible de concevoir de nombreux types différents de nano-rubans de graphène avec des propriétés très diverses. Seuls quelques types ont été démontrés expérimentalement jusqu'à présent, mais il existe de nombreuses prédications théoriques intéressantes sur les rubans qui doivent encore être synthétisées par les chimistes. Il est donc très probable que de nouveaux nano-rubans avec des caractéristiques de capteur encore meilleures ou d'autres propriétés passionnantes seront développés dans un avenir proche. »