La escritura con láser puede habilitar la ‘nariz electrónica’ para

UNIVERSITY PARK, Pa. — Gracias a la colaboración de Penn State, los sensores ambientales están un paso más cerca de olfatear simultáneamente varios gases que podrían indicar enfermedades o contaminación. Huanyu “Larry” Cheng, profesor asistente de ciencias de la ingeniería y mecánica en la Facultad de Ingeniería, y Lauren Zarzar, profesora asistente de química en la Facultad de Ciencias Eberly, y sus equipos combinaron escritura láser y tecnologías de sensores receptivos para fabricar la primera microescala altamente personalizable. dispositivos de detección de gases.

Publicaron su técnica este mes en Materiales e interfaces aplicadosuna revista de la American Chemical Society.

“La detección de gases es de importancia crítica para varios campos, incluido el control de la contaminación, la garantía de la seguridad pública y la atención de la salud personal”, dijo Cheng. “Para satisfacer estas necesidades, los dispositivos de detección deben ser pequeños, livianos, económicos y fáciles de usar, y deben aplicarse a diversos entornos y sustratos, como ropa o tuberías”.

Según Cheng, el desafío es crear dispositivos con las propiedades deseadas que aún puedan adaptarse a la infraestructura necesaria para la detección precisa y precisa de diferentes gases objetivo al mismo tiempo. Ahí es donde entra en juego la experiencia de Zarzar con la escritura láser.

“Las técnicas de escritura con láser dan libertad de diseño a una amplia gama de campos”, dijo Zarzar. “Ampliar nuestra comprensión de cómo sintetizar, modelar e integrar directamente nuevos materiales, especialmente nanomateriales y compuestos de nanomateriales, en sistemas complejos nos permitirá crear tecnologías de detección cada vez más sofisticadas y útiles”.

Su grupo de investigación desarrolló el proceso de vóxel térmico inducido por láser, que permite la creación e integración simultáneas de óxidos metálicos directamente en plataformas de sensores. Los óxidos metálicos son materiales que reaccionan a varios compuestos, activando el mecanismo de detección. Con la escritura láser, los investigadores disuelven sales metálicas en agua y luego enfocan el láser en la solución. La alta temperatura descompone la solución, dejando nanopartículas de óxido de metal que se pueden sinterizar en la plataforma del sensor.

El proceso agiliza los métodos anteriores, que requerían una máscara predefinida del patrón planificado. Cualquier cambio o ajuste requería la creación de una nueva máscara, lo que costaba tiempo y dinero. La escritura láser es “sin máscara”, según Zarzar, y, cuando se combina con el proceso de vóxel térmico, permite la rápida iteración y prueba de múltiples diseños o materiales para encontrar las combinaciones más efectivas.

“La creación de patrones precisos también es un componente necesario para la creación de ‘narices electrónicas’ o conjuntos de sensores que actúan como una nariz y pueden detectar con precisión varios gases al mismo tiempo”, dijo Alexander Castonguay, estudiante graduado en química y co-primer autor en el papel. “Tal detección precisa requiere el patrón de diferentes materiales en estrecha proximidad, en la microescala más delgada. Pocas técnicas de creación de patrones tienen la resolución para hacer esto, pero el enfoque detallado en este estudio sí lo tiene. Planeamos utilizar las técnicas y los materiales descritos aquí para desarrollar prototipos de narices electrónicas”.

Los investigadores probaron cinco metales diferentes y combinaciones de metales que se utilizan actualmente en los sensores. Según Castonguay, el punto donde se tocan diferentes óxidos metálicos, llamado heterounión, cultiva un entorno único en la interfaz de los dos materiales que mejora la respuesta de los sensores de gas. El equipo descubrió que una heterounión de óxido de cobre y óxido de zinc tiene una respuesta mejorada de cinco a 20 veces a los gases probados (etanol, acetona, dióxido de nitrógeno, amoníaco y sulfuro de hidrógeno) en comparación con el óxido de cobre.

“Este hallazgo respalda otros informes en la literatura científica de que la creación de sistemas de óxido mixto puede conducir a aumentos significativos en la respuesta del sensor y demuestra la eficacia de la técnica de vóxel térmico inducido por láser para la fabricación de sensores de gas de óxido mixto”, dijo Castonguay. “Esperamos que al combinar el conocimiento de escritura láser del grupo Zarzar con la experiencia en sensores portátiles del grupo Cheng, podamos expandir nuestras capacidades para crear sensores novedosos y personalizables”.

Cheng tiene afiliaciones con el Instituto de Investigación de Materiales, los Institutos de Energía y Medio Ambiente, el Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos, la Facultad de Ciencias Minerales y de la Tierra y varios departamentos de la Facultad de Ingeniería, todos en Penn State.

Otros autores incluyen al coautor Ning Yi, Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales; Bowen Li, Jiang Zhao, Han Li, Yuyan Gao y Naveen Tiwari, Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica; y Nabila Nova, Departamento de Química, todos en Penn State. Han Li también está afiliado al Instituto Pen-Tung Sah de Micro-Nano Ciencia y Tecnología de la Universidad de Xiamen.

La Fundación Nacional de Ciencias, la Beca de Investigación Sloan, los Institutos Nacionales de Salud, los Institutos de Energía y Medio Ambiente de Penn State y la Beca de Graduados en Ingeniería Leighton Riess de Penn State apoyaron este trabajo.


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