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殘次石墨烯可造超靈敏“電子鼻”

科技日報訊 (記者王小龍)美國伊利諾伊大學芝加哥分校的科學家日前開發出一種能夠分辨出單個氣體分子的超高靈敏度“電子鼻”。這種新型氣體傳感器對氣體分子的吸收能力比傳統化學傳感器強300倍。

  讓人不可思議的是,用來制造這種高靈敏度“電子鼻”的材料竟是此前被認為殘次品的、存在缺陷的石墨烯。相關論文發表在《自然·通信》雜志網站上。

  在制造石墨烯的過程中,石墨烯逐漸形成晶格或片狀時,會随機出現一些單晶顆粒。這種多晶結構與單晶之間的邊界被稱為晶界。由于晶界會造成電子的散射,削弱石墨烯晶格的性能,具有晶界的石墨烯通常都被認為是毫無價值的次品。但美國伊利諾伊大學芝加哥分校機械和工業工程教授阿明·薩利希-空錦帶領的研究小組卻發現,這些缺陷正好适合用來制造高靈敏度氣體傳感器。

  物理學家組織網9月23日(北京時間)報道稱,為了驗證這一想法,測試石墨烯缺陷的電氣性能,研究人員用單個石墨烯晶界制造了一個微米尺寸的氣體傳感器。他們在測試中發現,石墨烯晶界能夠将氣體分子吸附到其表面并讓它們聚集起來,石墨烯晶體上卻沒有這樣的現象。這使具有這種缺陷的石墨烯成為觀測氣體分子的理想場所。

  由切赫·克拉爾帶領伊利諾伊大學芝加哥分校的一個理論化學小組,對該晶界所具備的這種獨特吸引力和電子特性進行了解釋:晶界的不規則特性使其具備了數百個不同靈敏度的電子傳輸間隙。這就像是許多平行的并聯開關,當氣體分子在晶界上發生聚集,電荷發生轉移時,這些開關會突然打開或者關閉。這一切都發生在一個非常短暫的時間當中。而這便是用其制成的氣體傳感器能夠具備超高靈敏度的原因所在。

  薩利希-空錦說:“數十年來科學家們一直試圖制造出一種強大的、具有超高靈敏度的傳感器。我們的研究将其變成了現實,可以在微米級的尺寸上将這些晶界集成起來進行統一控制。使用這種技術能很容易制造出芯片級的傳感器陣列。借助晶界對氣體分子超強的吸附能力和快速反應能力,用石墨烯晶界陣列制成的電子鼻甚至能夠檢測出單個氣體分子。這種材料集精确和可靠于一身,是制造氣體傳感器的理想材料。”

  總編輯圈點

  化學家有言道:“凱撒放個屁,全意大利聞得到。”有了超靈敏的石墨烯鼻子,戲言成了真。芝加哥科學家的發明絕對有用。台灣高雄燃氣大爆炸之類的事故,有了超級嗅覺,很容易預警。超能鼻子可以聞出周邊的所有植物和過敏原。保安機器配上此等嗅覺,還能鑒别出“生人味兒”。醫療傳感器能聞見“病竈味兒”。到那時,蛛絲蟻糞,無從隐遁。石墨烯可夠厲害的。這還是石墨烯裡的殘次品呐。

(來源:科技日報)

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