新一代石墨烯納米帶驚現(xiàn)前所未有的傳感靈敏度！

　　內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的一項新研究稱：將類似DNA形狀的碳帶固定在氣體傳感器上可以提高其傳感靈敏度，遠遠優(yōu)于所有已知的碳材料。

　　該團隊開發(fā)出某種由石墨烯制成的新形式納米帶，其中石墨烯結(jié)構(gòu)是碳原子組成的二維蜂窩體。當(dāng)研究人員將納米帶構(gòu)成的薄膜集成到氣體傳感器電路中時，與原傳感器（甚至是具有最佳性能的碳基材料）相比，帶有納米帶薄膜的傳感器對分子的響應(yīng)大約高出100倍。

　　內(nèi)布拉斯加州化學(xué)副教授AlexanderSinitskii講到：之前研究過基于其他碳基材料的傳感器，如石墨烯和氧化石墨烯。在基于石墨烯納米帶的傳感器測試中，我們猜測到會觀察到傳感器的響應(yīng)，但出乎意料的是比之前任何時候都靈敏。

　　研究者在《自然通訊》雜志上發(fā)表的研究結(jié)果認為：氣體分子可以顯著改變納米帶薄膜的電阻。不同的氣體具備獨特的電阻特征，這就使得傳感器對不同氣體進行區(qū)分。

　　內(nèi)布拉斯加州材料與納米科學(xué)中心的成員Sinitskii講：“芯片上存在多個傳感器，足以區(qū)分幾乎具有相同化學(xué)性質(zhì)的分子，譬如甲醇和乙醇。因而類似基于石墨烯納米帶的傳感器不僅敏感性高，而且具有選擇性”。

　　所示渲染圖顯示氣體分子擴大了石墨烯納米帶之間的間距。內(nèi)布拉斯加州的AlexanderSinitskii及其同事們提出：該現(xiàn)象一定程度上解釋了納米色帶如何使傳感器的靈敏度有了前所未有的提升。

　　Sinitskii與同事預(yù)測，納米帶的非凡性能部分源于納米帶和氣體分子之間的不尋常相互作用。與之前的石墨烯實驗材料不同，團隊的納米帶排列類似于CharlieBrown的襯衫條紋，垂直向下取代水平分布。該團隊提出，氣體分子可以將這些條紋分開，有效地延長了納米帶間隙，電子必須跳過這些條紋才能導(dǎo)電。

　　苯環(huán)的進入

　　石墨烯于2004年被發(fā)現(xiàn)，并榮獲諾貝爾獎，擁有無可比擬的導(dǎo)電性。但鑒于石墨烯材料帶隙的缺乏（帶隙要求電子在受到電導(dǎo)率驅(qū)動從原子附近的軌道跳躍到外部“傳導(dǎo)帶”之前獲得能量）使研究人員不能控制其導(dǎo)電性大小。這恰恰就對石墨烯應(yīng)用（需要調(diào)節(jié)材料電導(dǎo)率的電子學(xué)領(lǐng)域）構(gòu)成挑戰(zhàn)。

　　潛在的解決方案是將片狀石墨烯修剪成納米尺度的色帶，計算機模擬構(gòu)建難以捕捉的帶隙。這證明石墨烯的難以保留屬性與其所需原子精度密切相關(guān)，因此研究人員通過從下到上在特定類型的固體表面上，針對性地將分子捕捉聚集開始制作絲帶。雖然此過程奏效，而且由此產(chǎn)生的色帶確實存在帶隙，但此過程限制研究人員單次僅僅制作極少的絲帶。

　　2014年，Sinitskii開創(chuàng)了一種可以在溶液中大規(guī)模生產(chǎn)納米帶的方法，這是擴大電子應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵一步。但是這些在溶液中制成的納米帶薄膜的導(dǎo)電性并非特別好，難以進行電子方面的測量。團隊的最新研究通過在第一代納米帶的任一側(cè)添加苯環(huán)（具有六個碳原子和氫原子的環(huán)狀分子）來適應(yīng)原始的化學(xué)方法。這些苯環(huán)加寬了色帶，減少了帶隙，提高了納米帶薄膜的導(dǎo)電能力。

　　Sinitskii說道：“人們通常不會將石墨烯納米帶作為傳感材料。然而與納米帶有類似性質(zhì)的材料諸如晶體管等器件（具有可以將電導(dǎo)率提升幾個數(shù)量級的能力），同樣適合應(yīng)用到傳感器中”。

　　目前人們可以設(shè)計出許多不同種類、具有不同特性的石墨烯納米帶，迄今為止，實驗證明的還只是少數(shù)類型。但人們對于那些尚未合成的納米帶，存在著諸多有趣的理論假設(shè)，所以新的納米帶很可能具備更好的傳感器特性。