Przestrajalne czujniki chemiczne na bazie grafenu

Naukowcy z Bydgoszczy, Kijowa i Warszawy opublikowali wyniki badań, które są podstawą do konstrukcji przestrajalnych czujników chemicznych na bazie grafenu. Grafenowe sensory będą mogły wykrywać obecność różnych substancji chemicznych w zależności od potrzeb.

W ostatnich latach obserwuje się rozwój technologii czujników chemicznych, czyli urządzeń do wykrywania substancji chemicznych oraz ich stężenia. Rozwój ten stanowi odpowiedź na wciąż rosnące oczekiwania dotyczące kontrolowania przemysłowych procesów technologicznych. Zmieniający się klimat i postępująca urbanizacja wymagają również monitorowania zmian w środowisku naturalnym wywoływanych działalnością człowieka i czynnikami od niego niezależnymi. W dobie postępującej globalizacji oraz ryzyka ataków terrorystycznych rośnie zapotrzebowanie na niezawodne i precyzyjne urządzenia do wykrywania obecności niebezpiecznych substancji. Kolejną, ważną dziedziną zastosowań jest wreszcie diagnostyka medyczna, w której precyzyjne czujniki chemiczne umożliwią bardzo wczesne wykrywania zmian chorobowych oraz śledzenie skuteczności terapii.

Czujniki elektrochemiczne

Czujniki elektrochemiczne są układami dwóch lub trzech elektrod zanurzonych w elektrolicie. Sercem czujnika elektrochemicznego jest przetwornik, czyli elektroda pracująca zamieniająca „sygnał” chemiczny (analit o zadanym stężeniu w roztworze) na sygnał elektryczny. Najtrudniejszym zadaniem w konstruowaniu czujników elektrochemicznych jest dobór odpowiedniego materiału na elektrodę pracującą. Przede wszystkim materiał elektrodowy musi charakteryzować się jak największym powinowactwem do wykrywanej substancji. W związku z tym materiał ten powinien zapewniać odpowiednią czułość elektrody.  Jednocześnie powinien działać selektywnie, czyli reagować na obecność oznaczanej substancji. Wynika stąd, że określony materiał elektrodowy może być wykorzystywany do wykrywania ściśle określonego związku chemicznego lub  wąskiej grupy substancji.

Grafen jako przestrajalny materiał elektrodowy

Nowe perspektywy dla rozwoju technologii przestrajalnych czujników elektrochemicznych otworzyło odkrycie i zbadanie przez Geima i Novoselova w 2004 r. grafenu. Za odkrycie  pierwszego kryształu dwuwymiarowego naukowy ci zostali uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Grafen, będąc kryształem bez objętości, jest bardzo czuły na otoczenie chemiczne. Godne uwagi  jest to, że deformacje grafenu wywołane przez rozciąganie sieci krystalicznej, wywołują zmiany w strukturze jego pasm elektronowych. Dla zespołu fizyków z Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego, Uniwersytetu Tarasa Szewczenki w Kijowie oraz Politechniki Warszawskiej było to punktem wyjścia do badań nad wpływem rozciągania sieci grafenowej na zdolność grafenu do tzw. odpowiedzi elektrochemicznej, czyli zamiany sygnału „chemicznego” na elektryczny dla określonego analitu.

Naukowcy wykonali symulacje szybkości reakcji elektrodowej na rozciąganej dwuwymiarowej sieci grafenowej. Szybkość reakcji elektrodowej, która jest odpowiedzialna za powstawanie sygnału elektrycznego czujnika może w rozciąganej grafenowej elektrodzie zmieniać się nawet trzykrotnie. Obliczenia wykonywano dla żelazocyjanku potasu, który jest rutynowo stosowany jako sonda elektrochemiczna do oceny przydatności nowych materiałów do budowy elektrod. Opublikowane w Applied Surface Science wyniki badań spotkały się z dużym zainteresowaniem. Ich streszczenie umieszczono w portalu Science Trends adresowanym do szerszej publiczności zainteresowanej nowinami naukowymi. Prawdopodobnie wyniki badań otworzą drogę do konstrukcji nowej generacji przestrajalnych czujników chemicznych na bazie grafenu. W sensorach tych powinowactwo do wykrywanej substancji będzie można dopasowywać poprzez mechaniczne odkształcanie elektrody. Bezsprzecznie będzie to stanowić przełom w sensoryce. Niewątpliwie wpłynie to na rozwój technologii, dla których punktem wyjścia jest grafit.