Laserschrift ermöglicht möglicherweise eine „elektronische Nase“ für mehrere

29. Juni 2022

Von Ashley J. WennersHerron, Pennsylvania State University

Dank einer Zusammenarbeit mit Penn State sind Umweltsensoren der gleichzeitigen Erkennung mehrerer Gase, die auf Krankheiten oder Umweltverschmutzung hinweisen könnten, einen Schritt näher gekommen. Huanyu „Larry“ Cheng, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik am College of Engineering, und Lauren Zarzar, Assistenzprofessorin für Chemie am Eberly College of Science, und ihre Teams kombinierten Laserschreiben und reaktionsfähige Sensortechnologien, um die erste hochgradig anpassbare Mikroskala herzustellen Gasmessgeräte.

Sie veröffentlichten ihre Technik diesen Monat in ACS Applied Materials & Interfaces.

„Die Erkennung von Gasen ist für verschiedene Bereiche von entscheidender Bedeutung, darunter die Überwachung der Umweltverschmutzung, die Gewährleistung der öffentlichen Sicherheit und die persönliche Gesundheitsfürsorge“, sagte Cheng. „Um diesen Bedarf zu decken, müssen Sensorgeräte klein, leicht, kostengünstig und einfach zu verwenden und auf verschiedene Umgebungen und Substrate wie Kleidung oder Rohrleitungen anwendbar sein.“

Laut Cheng besteht die Herausforderung darin, Geräte mit den gewünschten Eigenschaften zu entwickeln, die dennoch mit der Infrastruktur ausgestattet werden können, die für eine präzise und genaue gleichzeitige Erfassung verschiedener Zielgase erforderlich ist. Hier kommt Zarzars Fachwissen im Bereich Laserschreiben ins Spiel.

„Laserschreibtechniken bieten Gestaltungsfreiheit für ein breites Spektrum von Bereichen“, sagte Zarzar. „Die Erweiterung unseres Verständnisses für die direkte Synthese, Strukturierung und Integration neuer Materialien – insbesondere Nanomaterialien und Nanomaterial-Verbundwerkstoffe – in komplexe Systeme wird es uns ermöglichen, immer ausgefeiltere und nützlichere Sensortechnologien zu entwickeln.“

Ihre Forschungsgruppe entwickelte den laserinduzierten thermischen Voxelprozess, der die gleichzeitige Erzeugung und Integration von Metalloxiden direkt in Sensorplattformen ermöglicht. Metalloxide sind Materialien, die auf verschiedene Verbindungen reagieren und so den Sensormechanismus auslösen. Beim Laserschreiben lösen die Forscher Metallsalze in Wasser auf und fokussieren dann den Laser auf die Lösung. Die hohe Temperatur zersetzt die Lösung und hinterlässt Metalloxid-Nanopartikel, die auf der Sensorplattform gesintert werden können.

Der Prozess rationalisiert frühere Methoden, die eine vordefinierte Maske des geplanten Musters erforderten. Jegliche Änderungen oder Anpassungen erforderten die Erstellung einer neuen Maske – was Zeit und Geld kostete. Laut Zarzar ist das Laserschreiben „maskenlos“ und ermöglicht in Kombination mit dem thermischen Voxel-Verfahren die schnelle Iteration und Prüfung mehrerer Designs oder Materialien, um die effektivsten Kombinationen zu finden.

„Präzise Musterung ist auch eine notwendige Komponente für die Schaffung von ‚elektronischen Nasen‘ oder Arrays von Sensoren, die wie eine Nase funktionieren und mehrere Gase gleichzeitig präzise erkennen können“, sagte Alexander Castonguay, Doktorand in Chemie und Co-First Autor auf dem Papier. „Eine solch präzise Erkennung erfordert die Strukturierung verschiedener Materialien in unmittelbarer Nähe auf der dünnsten Mikroskala. Nur wenige Strukturierungstechniken verfügen über die entsprechende Auflösung, der in dieser Studie beschriebene Ansatz jedoch schon. Wir planen, die hier beschriebenen Techniken und Materialien für die Entwicklung zu verwenden.“ elektronische Nasen-Prototypen.

Die Forscher testeten fünf verschiedene Metalle und Metallkombinationen, die derzeit in Sensoren verwendet werden. Laut Castonguay schafft der Punkt, an dem sich verschiedene Metalloxide berühren, ein sogenannter Heteroübergang, eine einzigartige Umgebung an der Grenzfläche der beiden Materialien, die die Reaktion von Gassensoren verbessert. Das Team fand heraus, dass eine Heteroverbindung aus Kupferoxid und Zinkoxid eine fünf- bis 20-fach stärkere Reaktion auf die getesteten Gase – Ethanol, Aceton, Stickstoffdioxid, Ammoniak und Schwefelwasserstoff – aufweist als nur Kupferoxid.

„Dieser Befund stützt andere Berichte in der wissenschaftlichen Literatur, dass die Schaffung von Mischoxidsystemen zu einer erheblichen Steigerung der Sensorreaktion führen kann, und zeigt die Wirksamkeit der laserinduzierten thermischen Voxeltechnik für die Herstellung von Mischoxid-Gassensoren“, sagte Castonguay. „Wir hoffen, dass wir durch die Kombination des Laserschreibwissens der Zarzar-Gruppe mit der Expertise der Cheng-Gruppe im Bereich tragbarer Sensoren unsere Fähigkeiten erweitern können, um neuartige, anpassbare Sensoren zu entwickeln.“

Mehr Informationen: Alexander C. Castonguay et al., Direct Laser Writing of Microscale Metal Oxide Gas Sensors from Liquid Precursors, ACS Applied Materials & Interfaces (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c03561

Zeitschrifteninformationen:ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen

Zur Verfügung gestellt von der Pennsylvania State University