Przestrajalne czujniki chemiczne na bazie grafenu

Opublikowane ostatnio wyniki badań wykonanych wspólnie przez naukowców z Bydgoszczy, Kijowa i Warszawy mogą w dalszej perspektywie zaowocować powstaniem uniwersalnego, przestrajalnego czujnika chemicznego, który będzie w stanie 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 mogą pozwolić na bardzo wczesne wykrywania zmian chorobowych oraz śledzenie skuteczności terapii.

Ważną klasą czujników chemicznych są czujniki elektrochemiczne. Sercem czujnika elektrochemicznego jest przetwornik, czyli elektroda zamieniająca „sygnał” chemiczny (analit o zadanym stężeniu w roztworze) na sygnał elektryczny. Najtrudniejszym zadaniem w konstruowaniu czujników elektrochemicznych jest dobór odpowiedniego materiału na elektrodę. Musi się on charakteryzować w miarę możliwości jak największym powinowactwem do wykrywanej substancji. Elektroda wykonana z takiego materiału jest wówczas jednocześnie „czuła” i selektywna, czyli reaguje na obecność oznaczanej substancji. Wymóg czułości i selektywności powoduje, że określony materiał może być wykorzystywany jedynie do wykrywania ściśle określonego związku chemicznego lub bardzo wąskiej grupy związków chemicznych.

Nowe perspektywy dla rozwoju technologii przestrajalnych czujników elektrochemicznych otworzyło odkrycie i zbadanie przez Geima i Novoselova w 2004 r. grafenu – pierwszego w historii kryształu dwuwymiarowego – za które zostali uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Grafen, będąc kryształem bez objętości, jest bardzo czuły na otoczenie chemiczne. Deformacje grafenu wywołane przez rozciąganie sieci krystalicznej, wywołują zmiany w strukturze jego pasm elektronowych. Właściwości te stanowiły dla zespołu fizyków z Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego, Uniwersytetu Tarasa Szewczenki w Kijowie oraz Politechniki Warszawskiej punkt wyjścia do badań nad wpływem rozciągania sieci grafenowej na zdolność grafenu do tzw. odpowiedzi elektrochemicznej, czyli zamiany sygnału „chemicznego” na elektryczny dla określonego analitu. Wykonane symulacje pokazały, że szybkość reakcji elektrodowej odpowiedzialnej 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. Naukowcy spodziewają się, że ich wyniki otworzą drogę do konstrukcji nowej generacji przestrajalnych elektrod, których powinowactwo do wykrywanej substancji będzie można dopasowywać poprzez mechaniczne odkształcanie elektrody.