英格蘭南安普敦大學(University of Southampton)與日本北陸先端科學技術大學(JAIST)的科學家聯手,開發出一種基於石墨烯的感測器與開關,能夠以低功耗作業檢測家中是否存在有害的空氣污染。

這種感測器能夠檢測在建築物、室內裝潢材料、傢俱以及家用品中所發現的CO2分子以及揮發性有機化合物(VOC)氣體分子,這些物質對於我們生活在層層隔離的現代化住宅中有著十分不利的影響。

有害的化學氣體的ppb(十億分之一)濃度值——較低,極難以現有的環境感測技術進行檢測——現有的感測器技術只能檢測到ppm(百萬分之一)的濃度值。

近年來,由於個人生活空間中的空氣污染所引起的健康問題日益增加,例如病態建築症候群(SBS)等。

由南安普敦大學教授水田博(Hiroshi Mizuta)與JAIST助理教授Manoharan Muruganathan為主導的研究團隊聯手開發出一款新型的感測器,可藉由在整個結構上施加電場,分別檢測出吸附(從氣體到表面的分子接合)於懸浮石墨烯(碳原子以蜂巢狀六方晶格結構排列的原子單層)上的個別CO2分子。

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石墨烯單分子感測器(左)以及所觀察到的訊號(右),顯示成功檢測CO2單分子的吸附與解吸附
(來源:University of Southampton)

藉由監測石墨烯光束的電阻,吸附和解吸附(物質由表面釋放)個別CO2分子至石墨烯的過程,就能以電阻(逐步在電阻中增加或減少)的「量變」進行檢測。在該研究中,少量的CO2氣體在釋放出來後,僅需幾分鐘的時間就能檢測到。這項研究已經發表於美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science;AAAS)旗下《科學前瞻》(Science Advances)期刊中。

「相較於現有的商用檢測工具,這種極端的感測技術讓我們能大幅實現微型化,除了明顯改善檢測的濃度範圍,使其從ppm提升到ppb的濃度值,同時也減少了重量與成本,」Mizuta表示。

研究小組成員還包括南安普敦大學Harold Chong與JAIST Jian Sun等人,他們也採用該校開發旳薄膜開發出基於石墨烯的開關。這項研究的相關報導已刊載於三月號的《奈米》(Nanoscale)期刊。

這種開關需要低於3V以下的低電壓,並能用於依需求為電子元件供電,大幅提高個人電子裝置的電池使用壽命。Mizuta及其研究團隊如今正著眼於結合兩種研究技術,創造出可檢測單分子的超低功率環境感測器系統。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Graphene-based sensor detects harmful air pollution in the home,by Paul Buckely)