Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York y el Centro de Ciencias Neuronales de la NYU ha resuelto un antiguo rompecabezas de cómo construir sensores electroquímicos ultrasensibles y ultra pequeños con propiedades homogéneas y predecibles descubriendo cómo diseñar el grafenoestructura a nivel atómico.
Sensores electroquímicos finamente sintonizados también conocidos como electrodos que son tan pequeños como las células biológicas son muy apreciadas por el diagnóstico médico y los sistemas de monitoreo ambiental. La demanda ha impulsado los esfuerzos para desarrollar electrodos basados en carbono nanoingeniería, que ofrecen electrodomésticos, térmicos y electrónicos sin igual.propiedades mecánicas. Sin embargo, estos esfuerzos se han visto obstaculizados por la falta de principios cuantitativos para guiar la ingeniería precisa de la sensibilidad del electrodo a las moléculas bioquímicas.
Davood Shahrjerdi, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en NYU Tandon, y Roozbeh Kiani, profesor asistente de ciencias neuronales y psicología en el Centro de Ciencias Neurales, Facultad de Artes y Ciencias, han revelado la relación entre varios defectos estructuralesen el grafeno y la sensibilidad de los electrodos hechos de él. Este descubrimiento abre la puerta para la ingeniería precisa y la producción a escala industrial de matrices homogéneas de electrodos de grafeno. Los investigadores detallan su estudio en un artículo publicado hoy en la revista Materiales avanzados .
El grafeno es una lámina de carbono única y delgada como un átomo. Existe un consenso tradicional de que los defectos estructurales en el grafeno generalmente pueden mejorar la sensibilidad de los electrodos construidos a partir de él. Sin embargo, una comprensión firme de la relación entre varios defectos estructurales y la sensibilidadha eludido durante mucho tiempo a los investigadores. Esta información es particularmente vital para ajustar la densidad de los diferentes defectos en el grafeno para lograr el nivel deseado de sensibilidad.
"Hasta ahora, lograr un efecto de sensibilidad deseado era similar al vudú o la alquimia; a menudo, no estábamos seguros de por qué un enfoque determinado producía un electrodo más o menos sensible", dijo Shahrjerdi. "Al estudiar sistemáticamente la influencia de variostipos y densidades de defectos materiales en la sensibilidad del electrodo, creamos un modelo microscópico basado en la física que reemplaza la superstición con una visión científica ".
En un hallazgo sorprendente, los investigadores descubrieron que solo un grupo de defectos en la estructura del grafeno - defectos puntuales - impacta significativamente la sensibilidad del electrodo, que aumenta linealmente con la densidad promedio de estos defectos, dentro de un cierto rango ". Si optimizamosCon estos defectos puntuales en número y densidad, podemos crear un electrodo que sea hasta 20 veces más sensible que los electrodos convencionales ", explicó Kiani.
Estos hallazgos pueden impactar tanto la fabricación como las aplicaciones de los electrodos a base de grafeno. Los electrodos a base de carbono de hoy en día están calibrados para la sensibilidad posterior a la fabricación, un proceso lento que dificulta la producción a gran escala, pero los hallazgos de los investigadores sípermite la ingeniería precisa de la sensibilidad durante la síntesis del material, lo que permite la producción a escala industrial de electrodos a base de carbono con sensibilidad confiable y reproducible.
Actualmente, los electrodos a base de carbono no son prácticos para cualquier aplicación que requiera un conjunto de sensores denso: los resultados no son confiables debido a las grandes variaciones de la sensibilidad de electrodo a electrodo dentro del conjunto. Estos nuevos hallazgos permitirán el uso de ultra- Pequeños electrodos a base de carbono con sensibilidades homogéneas y extraordinariamente altas en sondas neurales de próxima generación y plataformas multiplexadas de "laboratorio en un chip" para diagnóstico médico y desarrollo de fármacos, y pueden reemplazar los métodos ópticos para medir muestras biológicas, incluido el ADN.
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Materiales proporcionado por NYU Tandon School of Engineering . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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