L’écriture au laser peut activer le « nez électronique » pour le capteur multi-gaz

Les capteurs environnementaux sont un pas de plus vers la détection simultanée de plusieurs gaz qui pourraient indiquer une maladie ou une pollution, grâce à une collaboration de Penn State. Huanyu « Larry » Cheng, professeur adjoint de sciences de l’ingénieur et de mécanique au College of Engineering, et Lauren Zarzar, professeur adjoint de chimie au Eberly College of Science, et leurs équipes ont combiné l’écriture laser et les technologies de capteurs réactifs pour fabriquer la première microéchelle hautement personnalisable. dispositifs de détection de gaz.

Ils ont publié leur technique ce mois-ci dans Matériaux appliqués et interfaces ACS.

« La détection des gaz est d’une importance cruciale dans divers domaines, notamment la surveillance de la pollution, l’assurance de la sécurité publique et les soins de santé personnels », a déclaré Cheng. « Pour répondre à ces besoins, les dispositifs de détection doivent être petits, légers, peu coûteux et faciles à utiliser et s’appliquer à divers environnements et substrats, tels que les vêtements ou la tuyauterie. »

Selon Cheng, le défi consiste à créer des dispositifs avec les propriétés souhaitées qui peuvent encore être adaptées à l’infrastructure nécessaire pour une détection précise et précise de différents gaz cibles en même temps. C’est là que l’expertise de Zarzar en matière d’écriture au laser entre en jeu.

« Les techniques d’écriture au laser offrent une liberté de conception à un large éventail de domaines », a déclaré Zarzar. « L’élargissement de notre compréhension de la façon de synthétiser, de modéliser et d’intégrer directement de nouveaux matériaux, en particulier les nanomatériaux et les composites de nanomatériaux, dans des systèmes complexes nous permettra de créer des technologies de détection de plus en plus sophistiquées et utiles. »

Son groupe de recherche a développé le processus de voxel thermique induit par laser, qui permet la création et l’intégration simultanées d’oxydes métalliques directement dans des plates-formes de capteurs. Les oxydes métalliques sont des matériaux qui réagissent à divers composés, déclenchant le mécanisme de détection. Avec l’écriture au laser, les chercheurs dissolvent les sels métalliques dans l’eau, puis concentrent le laser dans la solution. La température élevée décompose la solution, laissant derrière elle des nanoparticules d’oxyde métallique qui peuvent être frittées sur la plate-forme du capteur.

Le processus rationalise les méthodes précédentes, qui nécessitaient un masque prédéfini du modèle prévu. Tout changement ou ajustement nécessitait la création d’un nouveau masque, ce qui coûtait du temps et de l’argent. L’écriture au laser est « sans masque », selon Zarzar, et, lorsqu’elle est combinée avec le processus de voxel thermique, elle permet l’itération et le test rapides de plusieurs conceptions ou matériaux pour trouver les combinaisons les plus efficaces.

« La structuration précise est également un élément nécessaire à la création de « nez électroniques » ou de réseaux de capteurs qui agissent comme un nez et peuvent détecter avec précision plusieurs gaz en même temps », a déclaré Alexander Castonguay, étudiant diplômé en chimie et co-premier auteur sur le papier. « Une détection aussi précise nécessite la structuration de différents matériaux à proximité, à l’échelle microscopique la plus fine. Peu de techniques de structuration ont la résolution de le faire, mais l’approche détaillée dans cette étude le fait. Nous prévoyons d’utiliser les techniques et les matériaux décrits ici pour développer prototypes de nez électroniques. »

Les chercheurs ont testé cinq métaux et combinaisons de métaux différents actuellement utilisés dans les capteurs. Selon Castonguay, le point où différents oxydes métalliques se touchent, appelé hétérojonction, cultive un environnement unique à l’interface des deux matériaux qui améliore la réponse des capteurs de gaz. L’équipe a découvert qu’une hétérojonction d’oxyde de cuivre et d’oxyde de zinc a une réponse améliorée de cinq à 20 fois aux gaz testés – éthanol, acétone, dioxyde d’azote, ammoniac et sulfure d’hydrogène – par rapport à l’oxyde de cuivre uniquement.

« Cette découverte appuie d’autres rapports dans la littérature scientifique selon lesquels la création de systèmes d’oxydes mixtes peut entraîner des augmentations significatives de la réponse des capteurs et démontre l’efficacité de la technique du voxel thermique induit par laser pour la fabrication de capteurs de gaz à oxydes mixtes », a déclaré Castonguay. « Nous espérons qu’en associant les connaissances en écriture laser du groupe Zarzar à l’expertise des capteurs portables du groupe Cheng, nous serons en mesure d’étendre nos capacités pour créer de nouveaux capteurs personnalisables.