Õhuhapnik on oluline gaas, mille hulka peab jälgima paljudes inimtegevuse valdkondades, nagu energia tootmine, transport ja meditsiin. Selleks kasutatakse sensoreid, mis hapniku kontsentratsiooni ümbritsevas keskkonnas elektrivooluks ning seejärel bittide jadaks muundavad. Kõige uuemad gaasisensorid põhinevad õhukestel kilematerjalidel ning arendamisel on vaid ühest aatomkihist koosnevad sensorid. Rakendusfüüsika tippajakirjas Applied Physics Lettersäsjailmunud artiklis näitasid Tartu Ülikooli füüsika instituudi teadlased, et ühe aatomkihi paksuse süsiniku – grafeeni elektrijuhtivus muutub hapniku taseme suhtes tundlikuks ultravioletse valguse mõjul.
Kuigi grafeeni suurt gaasitundlikkust demonstreeriti juba 2007. aastal, tehti seda väga steriilses, inertgaaside keskkonnas. Tavaõhus, kus gaasisensorid tegelikult töötama peavad, on asi aga palju keerukam. Tartu Ülikooli teadlaste uuringust selgub, et tavaõhus on grafeeni pind täielikult passiveeritud, sest sellele on seotud niivõrd palju hapniku ja vee molekule, et ühtegi vaba kohta enam pole. Valgus, seejuures eriti ultravioletne valgus, aktiveerib sensori pinna.
Hapnik pole loomulikult ainus õhus leiduv gaas, mida grafeenist tehtud nanosensoriga detekteerida võiks. Jälgimist vajavaid kasulikke, ohtlikke või mürgiseid gaase on palju teisigi ning valgus võib nendegi eristamisel kasulik olla. Füüsika instituudi töörühm uurib nüüd Euroopa Liidu suurprojekti Graphene Flagship raames selle printsiibi rakendamist teiste gaaside korral eesmärgiga koos tööstuspartneritega Euroopa Liidust disainida ja välja arendada grafeenil põhinev sensorsõlm keskkonna monitooringuks.
„Grafeeni kui suurepäraste omadustega materjali uuringud on väga hea näide, kui kiiresti jõutakse alusuuringutest praktiliste rakendusteni – Nobeli füüsikapreemia anti selle 2-dimensionaalse materjali uurijaile ju alles 2010. aastal. Hiljuti käivitunud TÜ füüsikute ja materjaliteadlaste rahvusvahelisel tasemel alusuuringud on loonud võimaluse, et värsked teadustulemused vormitakse koostöös ettevõtjatega uuetüübiliseks sensoriks. Ma loodan, et juba lähitulevikus leiame Eestist koostööpartnerid, kellega koos kasutada grafeeni kõrgtehnoloogilistes toodetes,“ ütles TÜ teadusprorektor Marco Kirm.
A. Berholts, T. Kahro, A. Floren, H. Alles, R. Jaaniso. Photo-activated oxygen sensitivity of graphene at room temperature. Appl. Phys. Lett. 105, 163111 (2014). http://dx.doi.org/10.1063/1.4899276.
Kontakt: Raivo Jaaniso (materjaliteaduse vanemteadur, 737 4731), Harry Alles (materjaliteaduse vanemteadur, 737 4658).