Los investigadores de la escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York descubrieron cómo predecir la sensibilidad de los electrodos de grafeno, lo que podría allanar el camino hacia la producción a escala industrial de sensores ultra pequeños: la densidad de los defectos puntuales introducidos intencionalmente es directamente proporcional a la sensibilidad del electrodo de grafeno. Si se maximiza la densidad de estos puntos, se puede crear un electrodo que es hasta 20 veces más sensible que los electrodos convencionales.

Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York y del Centro para la Ciencia Neural de la Universidad de Nueva York resolvió un enigma de larga data sobre cómo construir sensores electroquímicos ultra sensibles ultra pequeños con propiedades homogéneas y predecibles al descubrir cómo diseñar la estructura del grafeno en Un nivel atómico.

Los sensores electroquímicos ajustados con precisión (también conocidos como electrodos) que son tan pequeños como las células biológicas son muy apreciados para los diagnósticos médicos y los sistemas de monitoreo ambiental. La demanda ha estimulado los esfuerzos para desarrollar electrodos de nanoingeniería a base de carbono, que ofrecen propiedades electrónicas, térmicas y mecánicas inigualables. Sin embargo, estos esfuerzos se han visto obstaculizados por la falta de principios cuantitativos para guiar la ingeniería precisa de la sensibilidad de los electrodos a las moléculas bioquímicas.

Davood Shahrjerdi, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Nueva York en Tandon, y Roozbeh Kiani, profesor asistente de ciencia neural y psicología en el Centro de Ciencias Neurales de la Facultad de Artes y Ciencia, han revelado la relación entre varios defectos estructurales en el grafeno. y la sensibilidad de los electrodos hechos de ella. Este descubrimiento abre la puerta a la ingeniería precisa y la producción a escala industrial de matrices homogéneas de electrodos de grafeno. Los investigadores detallan su estudio en un artículo publicado hoy en la revista Advanced Materials .

El grafeno es una lámina de carbono simple y delgada. Existe un consenso tradicional de que los defectos estructurales en el grafeno generalmente pueden mejorar la sensibilidad de los electrodos construidos a partir de ellos. Sin embargo, una comprensión firme de la relación entre varios defectos estructurales y la sensibilidad ha sido eludida durante mucho tiempo a los investigadores. Esta información es particularmente vital para ajustar la densidad de diferentes defectos en el grafeno con el fin de lograr un nivel deseado de sensibilidad.

Hasta ahora, lograr un efecto de sensibilidad deseado era similar al vudú o la alquimia; muchas veces, no estábamos seguros de por qué cierto enfoque producía un electrodo más o menos sensible”, dijo Shahrjerdi. “Al estudiar sistemáticamente la influencia de varios tipos y densidades de defectos materiales en la sensibilidad del electrodo, creamos un modelo microscópico basado en la física que reemplaza la superstición con una visión científica“.

En un hallazgo sorprendente, los investigadores descubrieron que solo un grupo de defectos en la estructura del grafeno (defectos puntuales) afecta significativamente la sensibilidad del electrodo, que aumenta linealmente con la densidad promedio de estos defectos, dentro de un cierto rango. “Si optimizamos estos defectos puntuales en número y densidad, podemos crear un electrodo que es hasta 20 veces más sensible que los electrodos convencionales“, explicó Kiani.

Estos hallazgos pueden afectar tanto a la fabricación como a las aplicaciones de electrodos basados ​​en grafeno. Los electrodos actuales basados ​​en carbono están calibrados para la sensibilidad posterior a la fabricación, un proceso que requiere mucho tiempo y dificulta la producción a gran escala, pero los hallazgos de los investigadores permitirán la ingeniería precisa de la sensibilidad durante la síntesis del material, lo que permitirá la producción a escala industrial. De electrodos a base de carbono con sensibilidad confiable y reproducible.

Actualmente, los electrodos a base de carbono no son prácticos para cualquier aplicación que requiera una matriz densa de sensores: los resultados no son confiables debido a las grandes variaciones de la sensibilidad de electrodo a electrodo dentro de la matriz. Estos nuevos hallazgos permitirán el uso de electrodos ultra pequeños a base de carbono con sensibilidades homogéneas y extraordinariamente altas en sondas neuronales de próxima generación y plataformas multiplexadas de “laboratorio en un chip” para el diagnóstico médico y el desarrollo de medicamentos, y pueden reemplazar Métodos ópticos para medir muestras biológicas incluyendo ADN.

Fuente: https://phys.org/news/2018-12-graphene-magic-defects.html#jCp