Une équipe de chercheurs de la Tandon School of Engineering de l'Université de New York et du NYU Center for Neural Science a résolu un casse-tête de longue date sur la façon de construire des appareils ultra-sensibles, capteurs électrochimiques ultra-petits aux propriétés homogènes et prévisibles en découvrant comment concevoir la structure du graphène au niveau atomique.

Les capteurs électrochimiques finement réglés (également appelés électrodes) qui sont aussi petits que des cellules biologiques sont prisés pour les diagnostics médicaux et les systèmes de surveillance environnementale. La demande a stimulé les efforts pour développer des électrodes à base de carbone nano-ingénierie, qui offrent une électronique inégalée, thermique, et propriétés mécaniques. Pourtant, ces efforts ont longtemps été entravés par le manque de principes quantitatifs pour guider l'ingénierie précise de la sensibilité des électrodes aux molécules biochimiques.

Davood Shahrjerdi, professeur assistant en génie électrique et informatique à NYU Tandon, et Roozbeh Kiani, professeur adjoint de sciences neuronales et de psychologie au Center for Neural Science, Faculté des arts et des sciences, ont révélé la relation entre divers défauts structurels du graphène et la sensibilité des électrodes qui en sont constituées. Cette découverte ouvre la porte à l'ingénierie précise et à la production à l'échelle industrielle de réseaux homogènes d'électrodes en graphène. Les chercheurs détaillent leur étude dans un article publié aujourd'hui dans la revue Matériaux avancés .

Le graphène est un seul, feuille de carbone de faible épaisseur. Il existe un consensus traditionnel selon lequel les défauts structurels du graphène peuvent généralement améliorer la sensibilité des électrodes construites à partir de celui-ci. Cependant, une compréhension solide de la relation entre divers défauts structurels et la sensibilité a longtemps échappé aux chercheurs. Cette information est particulièrement vitale pour régler la densité des différents défauts du graphène afin d'atteindre un niveau de sensibilité souhaité.

"Jusqu'à maintenant, obtenir l'effet de sensibilité souhaité s'apparentait au vaudou ou à l'alchimie - souvent, nous ne savions pas pourquoi une certaine approche donnait une électrode plus ou moins sensible, " a déclaré Shahrjerdi. " En étudiant systématiquement l'influence de divers types et densités de défauts de matériaux sur la sensibilité de l'électrode, nous avons créé un modèle microscopique basé sur la physique qui remplace la superstition par la perspicacité scientifique."

Dans une découverte surprise, les chercheurs ont découvert qu'un seul groupe de défauts dans la structure du graphène - les défauts ponctuels - a un impact significatif sur la sensibilité des électrodes, qui augmente linéairement avec la densité moyenne de ces défauts, dans une certaine fourchette. « Si nous optimisons ces défauts ponctuels en nombre et en densité, nous pouvons créer une électrode jusqu'à 20 fois plus sensible que les électrodes classiques, " expliqua Kiani.

Ces découvertes ont un impact à la fois sur la fabrication et les applications des électrodes à base de graphène. Les électrodes à base de carbone d'aujourd'hui sont calibrées pour la sensibilité post-fabrication, un processus chronophage qui entrave la production à grande échelle, mais les découvertes des chercheurs permettront une ingénierie précise de la sensibilité lors de la synthèse du matériau, permettant ainsi la production à l'échelle industrielle d'électrodes à base de carbone avec une sensibilité fiable et reproductible.

Actuellement, les électrodes à base de carbone ne sont pas pratiques pour toute application nécessitant un réseau dense de capteurs :les résultats ne sont pas fiables en raison des grandes variations de la sensibilité d'électrode à électrode au sein du réseau. Ces nouvelles découvertes permettront l'utilisation d'électrodes à base de carbone ultra-petites avec des sensibilités homogènes et extraordinairement élevées dans les sondes neurales de nouvelle génération et les plates-formes multiplexées "laboratoires sur puce" pour le diagnostic médical et le développement de médicaments, et ils peuvent remplacer les méthodes optiques pour mesurer les échantillons biologiques, y compris l'ADN.