Как показала последняя работа ученых из США, чтобы создать избирательные и высокочувствительные газовые сенсоры на основе обычного графена, может использоваться необычный помощник – низкочастотный электромагнитный шум. Работа, в рамках которой было сделано данное открытие, лишний раз доказывает, что сам материал (графен) не обязательно должен быть функционально изменен, чтобы иметь возможность обнаруживать присутствие различных химических веществ.

Кроме того, совершенно не обязательно создавать массивы устройств на поверхности графена, в которых каждое устройство предназначено для выявления строго определенного химического вещества.

Естественно, предложенная разработка имеет огромные перспективы, хотя физика лежащих в ее основе процессов пока не до конца понятна.

Уже относительно давно исследователи обнаружили, что графен, двумерный лист атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку, может использоваться для обнаружения отдельных молекул газа, адсорбированных на его поверхности. Однако, несмотря на то, что материал обладает высокой чувствительностью, он не способен быстро и легко различать молекулы химических веществ.

Иными словами, конструируя газоанализатор на основе графена (обычно для этого создается полевой транзистор, характеристики которого изменяются при адсорбции молекул газа), ученые могут сказать, что определенные молекулы адсорбировались на поверхности полевого транзистора из графена.

Но до сих пор, если речь шла об использовании «чистого» материала, нельзя было точно утверждать, что это за вещество. Для определения вещества требовалось либо модифицировать датчик («настраивая» его под данное вещество, т.е. теряя гибкость устройства или вынуждая конструкторов создавать «модификации», ориентированные на различные молекулы), либо проводить дополнительные исследования, что делало процесс слишком сложным и дорогим.

Но, похоже, выход из затруднения совсем недавно был найден. В своей последней работе научная группа из University of California (США) обнаружила, что

адсорбированные на поверхности графена молекулы газа изменяют спектр низкочастотного шума этого удивительного материала, вызывая сдвиг характерной частоты, который отличается для различных химических веществ. Причем, сдвиг может варьироваться в пределах от 10 – 20 Гц (для тетрагидрофурана) до 1300 – 1600 Гц (для паров хлороформа).

Интересно, что поводом для научного поиска в данном направлении, как говорят сами ученые, было вовсе не желание улучшить характеристики существующих газодетекторов, а попытки определить, как изменяется низкочастотный шум графена при воздействии паров различных материалов. В ходе исследований было обнаружено, что некоторые газы вызывают ярко выраженные спектральные пики, которые вполне могут служить точным критерием определения веществ для промышленных датчиков.

Обнаруженное свойство открывает путь для создания на основе графена надежных и простых датчиков для обнаружения различных газов.

Но, несмотря на радужные перспективы, физика использованного в их основе явления не до конца понятна. Другая группа ученых, включающая в себя исследователей из Rensselaer Polytechnic Institute, Российской Академии Наук и GE Global Research Center, в ближайшее время планирует выяснить, какие именно свойства адсорбированных на поверхности графена молекул газа связаны с энергиями выявленных в ходе экспериментов максимумов. Это должно пролить свет на те процессы, которые вызывают спектральные изменения.

Подробно результаты работы ученых изложены в журнале Nano Letters.