Принцип работы сенсора основан том, что посторонние молекулы и атомы, «прилипая» к графеновой пленке, меняют уровень ее электрического сопротивления. Измеряя эти изменения, можно зарегистрировать наличие в газе определенного вещества. Сенсор обладает высокой избирательностью: подавая разное напряжение, его можно перенастраивать на разные виды детектируемых веществ. Кроме того, такой сенсор имеет преимущество перед мембранными газовыми датчиками, так как мембраны имеют свойство засоряться; здесь же можно очистить графеновую пленку, просто подав на нее ток для запуска процесса десорбции.
Первыми описание твердотельного газового сенсора на основе графена широкой публике представили ученые из Политехнического института Ренсселера, опубликовав свое исследование в журнале Scientific Reports. Одним из их тестовых газов стал диоксид азота (NO2), который выделяют при разложении многие виды взрывчатки. Максимальная чувствительность сенсора, которой удалось добиться американским исследователям, составила 20 ppm (parts-per-million, 20 молекул диоксида азота на миллион молекул воздуха). Ученые из международной лаборатории Университета ИТМО «Новые материалы и нанопленки для компонентной базы силовой, СВЧ электроники и микросенсорики» под руководством Александра Лебедева изначально планировали разработать более точный сенсор, сравнимый по чувствительности с собачьим носом, однако предварительные результаты превысили ожидаемые примерно в десять раз: чип показал чувствительность на уровне менее 0,1 ppb (parts-per-billion, 1 молекула на 10 млрд).
Как рассказывает руководитель лаборатории Павел Булат, у разработки крайне широкая сфера потенциального применения. Если молекулы вещества «цепляются» к графеновой пленке, значит, сенсор можно использовать для детекции наличия этого вещества в газе; уже были успешно определены испытания на определение концентраций аммиака и водорода. Биологические молекулы (к примеру, раковые антигены) он регистрирует так же, как и химические, то есть его можно применять и для ранней диагностики заболеваний. Однако над созданием конкретных установок еще необходимо поработать: чтобы датчик мог регистрировать наличие в воздухе искомого вещества, необходимо прокачивать этот воздух через него, а значит, требуется спроектировать систему подачи газа на сенсор.
«Нам высказывали замечания о том, что такая высокая чувствительность не нужна. В некоторых случаях это действительно так: натренированная собака умеет находить взрывчатку, значит, здесь достаточно и собаки, – комментирует Павел Булат. – Но экспресс-диагностика пациентов, исследования усталостного состояния конструкции требуют реагировать на отдельные атомы и молекулы. Если это происходит, значит, датчик выполняет свою функцию».
Глава лаборатории новых материалов и нанопленок отмечает, что первый прототип датчика был выполнен из импортных графеновых пленок. Ученые собираются продолжить эксперименты с графеном, полученным на собственной установке, собранной и запущенной совместно с физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе. Согласно планам, работа над проектом завершится в 2016 году.
Александр Пушкаш,
Редакция новостного портала Университета ИТМО
