Dieser ultradünne Sensor könnte Ihre Lunge retten

Der neue 2D-Sensor ist flexibel und transparent, was die Technologie zu einem wahrscheinlichen Kandidaten für tragbare Sensoren zur Umwelt- und Gesundheitsüberwachung macht. (Bildnachweis: Shutterstock/Kaspars Grinvalds)

Stickstoffdioxid, ein Luftschadstoff, der von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Autos ausgestoßen wird und Gasöfen sind nicht nur schlecht für das Klima, sondern auch schlecht für unsere Gesundheit. Eine langfristige NO2-Exposition wird mit einer Zunahme von Herzerkrankungen, Atemwegserkrankungen wie Asthma und Infektionen in Verbindung gebracht.

Stickstoffdioxid ist geruchlos und unsichtbar – daher benötigen Sie einen speziellen Sensor, der gefährliche Konzentrationen des giftigen Gases genau erkennen kann. Die meisten derzeit verfügbaren Sensoren sind jedoch energieintensiv, da sie normalerweise bei hohen Temperaturen betrieben werden müssen, um eine angemessene Leistung zu erzielen.

Ein ultradünner Sensor, der von einem Forscherteam des Berkeley Lab und der UC Berkeley entwickelt wurde, könnte die Antwort sein.

In ihrem in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlichten Artikel berichtete das Forscherteam über einen atomar dünnen „2D“-Sensor, der bei Raumtemperatur funktioniert und somit weniger Strom verbraucht als herkömmliche Sensoren.

Die Forscher sagen, dass der neue 2D-Sensor – der aus einer einschichtigen Legierung aus Rhenium-Niob-Disulfid besteht – auch eine überlegene chemische Spezifität und Erholungszeit aufweist.

Links: Elektronenmikroskopisches Bild mit atomarer Auflösung der Doppelschicht- und Dreischichtbereiche von Re0,5Nb0,5S2, das seine Stapelreihenfolge zeigt. Rechts: Realraum-Ladungstransferdiagramm, das den Ladungstransfer von Re0,5Nb0,5S2 zum NO2-Molekül zeigt. Farbschlüssel: Abgebildet in Marineblau; Nb in Violett; S in Gelb; N in Grün; H in Grau; O in Blau; und C in Rot. (Quelle: Alex Zettl/Berkeley Lab)

Im Gegensatz zu anderen 2D-Geräten aus Materialien wie Graphen reagiert der neue 2D-Sensor elektrisch selektiv auf Stickstoffdioxidmoleküle, mit minimaler Reaktion auf andere giftige Gase wie Ammoniak und Formaldehyd. Darüber hinaus sei der neue 2D-Sensor in der Lage, extrem niedrige Konzentrationen von Stickstoffdioxid von mindestens 50 Teilen pro Milliarde zu erkennen, sagte Amin Azizi, Postdoktorand von der UC Berkeley und Hauptautor der aktuellen Studie.

Sobald ein auf Molybdändisulfid oder Kohlenstoffnanoröhren basierender Sensor Stickstoffdioxid erfasst hat, kann es Stunden dauern, bis er bei Raumtemperatur wieder seinen ursprünglichen Zustand erreicht. „Aber unser Sensor braucht nur ein paar Minuten“, sagte Azizi.

Der neue Sensor ist nicht nur ultradünn, sondern auch flexibel und transparent, was ihn zu einem hervorragenden Kandidaten für tragbare Sensoren zur Umwelt- und Gesundheitsüberwachung macht. „Wenn der Stickstoffdioxidgehalt in der lokalen Umgebung 50 Teile pro Milliarde übersteigt, kann das für Asthmatiker sehr gefährlich sein, aber derzeit sind persönliche Stickstoffdioxid-Gassensoren unpraktisch.“ Sagte Azizi. Ihr Sensor könnte diese Lücke schließen, wenn er in Smartphones oder andere tragbare Elektronikgeräte integriert würde, fügte er hinzu.

Der Postdoktorand und Co-Autor Mehmet Dogan vom Berkeley Lab verließ sich auf den Cori-Supercomputer im National Energy Research Scientific Computing Center

(NERSC), einer Supercomputing-Benutzereinrichtung am Berkeley Lab, um den zugrunde liegenden Sensormechanismus theoretisch zu identifizieren.

Alex Zettl und Marvin Cohen, Fakultätswissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professoren für Physik an der UC Berkeley, leiteten gemeinsam die Studie.

Weitere Informationen:

„2D Electronics Get a Atomic Tuneup“, Pressemitteilung vom 20. August 2020