Un team collaborativo di ricercatori della Kiel University (CAU) in Germania e della Technical University of Moldova (TUM) ha utilizzato la stampa 3D per produrre sensori altamente sensibili ed efficienti dal punto di vista energetico. Questo lavoro potrebbe inaugurare in modo migliore i diabetici per controllare i livelli di zucchero nel sangue che non implicano pungere il dito con un ago, ma semplicemente respirare. Il team ha recentemente spiegato il loro metodo economico in un documento, intitolato ” Fabbricazione facile di nanostrutture di ossido semiconduttore mediante scrittura diretta di inchiostro di microparticelle metalliche prontamente disponibili e loro applicazione come sensori di gas acetone a bassa potenza “, pubblicato sulla rivista Nano Energy .
La produzione di questo tipo di sensori richiede in genere molti passaggi, diverse ore e un ambiente quasi privo di polvere. Ma il concetto del team di ricerca è in grado di stampare contemporaneamente più sensori di ossido di metallo misto contemporaneamente, in pochi minuti, nell’aria ambiente normale.
“In questo lavoro, viene introdotta una facile fabbricazione e caratterizzazione in due fasi di sensori di acetone stampati basati su ossidi metallici semiconduttori misti. I dispositivi sono fabbricati da strisce di microparticelle metalliche (MP) di Direct Ink Writing di particelle di ferro puro e rame disponibili in commercio sulla superficie di un substrato di vetro, formando una rete ponte di ossido semiconduttore multifase mediante successiva ricottura termica “, hanno spiegato i ricercatori nel estratto della loro carta.
La struttura aperta e porosa del semiconduttore è ciò che rende così sensibile la rilevazione di composti organici volatili (COV). Questi sensori utilizzano una speciale strutturazione a livello nano per misurare la concentrazione di vapore di acetone, che, nel respiro, corrisponde ai livelli di zucchero nel sangue nell’uomo.
“Per realizzare questa speciale struttura riscaldiamo semplici microparticelle di metallo fino a quando non si formano numerosi nanofili e nanospike sottili”, ha dichiarato lo scienziato dei materiali Leonard Siebert, una ricerca di dottorato nel gruppo di lavoro sui nanomateriali funzionali della CAU. “Con un inchiostro appositamente sviluppato possiamo applicare queste particelle con precisione su varie superfici utilizzando una stampante 3D.”
La sua superficie più ampia rende il sensore abbastanza sensibile da essere visto al microscopio elettronico ad alta risoluzione, dove puoi vedere che molecole di gas, come l’acetone, possono aggrovigliarsi facilmente in un gruppo di nanofili di soli 20 nm di diametro.
I ricercatori hanno appreso che il materiale metallico di partenza dei sensori può essere “variato in modo mirato”, il che modifica la sua struttura e dimensione e consente il rilevamento di gas che lo renderà così utile per i diabetici.
Il professor Rainer Adelung, capo del gruppo di lavoro dell’Università di Kiel, ha dichiarato: “Questa è ancora, prima di tutto, la ricerca di base, ma questo principio potrebbe essere utilizzato in futuro per sviluppare sensori per l’idrogeno o altri gas esplosivi e pericolosi.”
Per formare correttamente i nanospike e i fili speciali, le particelle del sensore di metallo devono avere le dimensioni giuste o non funzioneranno.
Il dott. Oleg Lupan, ricercatore e ricercatore di Humboldt nel dipartimento di ingegneria biomedica della TUM, ha spiegato: “Il rapporto corretto e elevato tra superficie e volume è cruciale”.
Ma, proprio perché le loro grandi dimensioni rendono i sensori adeguatamente sensibili, sfortunatamente li rende difficili da fabbricare con metodi convenzionali, come l’evaporazione sotto vuoto o i sistemi di spruzzatura. Le particelle più piccole possono essere applicate alle superfici usando queste tecnologie di fabbricazione, ma le microparticelle in questo lavoro sono troppo grandi.
“Per questo motivo, abbiamo considerato di utilizzare le stampanti 3D per applicare le microparticelle. La conoscenza dei materiali e dei dispositivi dei colleghi dell’Università tecnica della Moldavia e la nostra esperienza nei nanomateriali e nella stampa 3D si completano perfettamente qui “, ha affermato Siebert.
Un’alta resistenza di base equivale a sensori a bassa potenza ed efficienza energetica, che consente loro di essere mobili. Mentre solo una piccola quantità di elettricità passa attraverso i fili nel sensore completato, le molecole organiche reagiscono fortemente a loro, il che a sua volta cambia la resistenza del sensore e rilascia segnali che possono essere facilmente misurati.
“Quindi i nostri sensori utilizzano solo pochissima energia. Ciò rende anche concepibili piccoli dispositivi di misurazione portatili, che possono essere letti direttamente tramite smartphone, ad esempio “, ha spiegato Lupan.
Una persona con diabete di tipo I o II ha un contenuto di acetone superiore a 2 particelle per milione di molecole d’aria (ppm) nel respiro. I ricercatori riferiscono che i loro sensori stampati in 3D estremamente sensibili sono in grado di rilevare valori di acetone inferiori a 1 ppm.
“Le strutture a ponte aperte e altamente porose sono costituite da eterogiunzioni che sono interconnesse tramite nanofili CuO / Cu 2 O / Cu non planari e nanospike Fe 2 O 3 / Fe. Sono stati condotti studi morfologici, vibrazionali, chimici e strutturali per studiare Fe 2 O 3 che forma il contatto- Nanostrutture di CUO sulla superficie dei parlamentari. Il consumo di energia e le proprietà di rilevamento del gas hanno mostrato selettività al vapore di acetone a una temperatura operativa di circa 300 ° C con un’elevata risposta del gas di circa il 50% e la potenza operativa minima di circa 0,26 μW a una concentrazione di 100 ppm di vapore di acetone. La combinazione della possibilità di rilevazione del vapore dell’acetone, delle dimensioni e della geometria controllabili e della loro bassa potenza rendono queste strutture stampate candidati importanti per i prossimi sviluppi dei dispositivi di rilevazione accessibili, nonché per il monitoraggio del vapore dell’acetone (anche al di sotto di 1 ppm) “, hanno scritto i ricercatori nella loro carta.
