Des scientifiques développent un biocapteur de graphène pulvérisable

Les chimistes ont conçu une plate-forme de détection peu coûteuse et évolutive utilisant de l'encre graphène.

Les scientifiques ont développé une nouvelle encre au graphène qui peut être utilisée pour détecter diverses substances chimiques lorsqu'elle est déposée sur des cartes de circuits imprimés (PCB) disponibles dans le commerce sous la forme d'un film mince.

Dans un article publié dans la revue Nanoscale, les chercheurs de l'Imperial affirment que cette technologie pourrait ouvrir la voie à des réseaux multicapteurs à faible coût pouvant être déployés dans les soins de santé, l'industrie et bien plus encore.

Le graphène est un matériau 2D, constitué d'une seule couche de graphite. Disposé dans un réseau hexagonal d'atomes de carbone ressemblant à un nid d'abeille, le graphène possède de puissantes propriétés électriques, optiques et mécaniques.

Les premiers transistors à effet de champ au graphène imprimés à partir d'encres au graphène ont été présentés en 2011 par le groupe du Dr Felice Torrisi, atteignant une mobilité d'électrons incroyablement élevée par rapport aux transistors imprimés standards.

Ces propriétés rendent le graphène attrayant pour les applications de détection. Puisqu’il s’agit d’un matériau 2D, le graphène possède une grande surface qui peut interagir avec tous les gaz ou liquides auxquels il est exposé, ce qui lui permet d’être utilisé efficacement pour détecter des produits chimiques spécifiques.

De plus, il est relativement facile à modifier pour détecter différentes substances en raison de sa chimie unique à base de carbone.

"Vous pouvez soit lier les récepteurs à la surface du graphène, soit rapprocher les récepteurs suffisamment pour qu'ils adhèrent à la surface, sans pour autant s'y lier", explique Benji Fenech Salerno, doctorant au Département de chimie et co-auteur principal de le papier à l'échelle nanométrique.

"Dans les deux cas, cela nous permet d'ajouter une sélectivité chimique au graphène", explique-t-il.

L’équipe de l’Impériale a démontré que sa technologie utilisant de l’encre graphène pulvérisée sur un PCB était capable de détecter avec précision le pH et la concentration en ions sodium d’une solution aqueuse.

Les projets futurs incluent l’extension de la technologie à d’autres analytes, ainsi que le dépôt d’encres graphène sur différentes surfaces.

Les chercheurs affirment que même si des encres au graphène ont déjà été produites, il a été difficile de les synthétiser commercialement avec une concentration élevée de flocons de graphène et de déposer les encres sous la forme d'une couche mince et stable sur une surface commerciale de PCB.

Les défis précédents résidaient dans le fait que les encres avaient tendance à se décoller de leurs substrats. En d’autres termes, ils se décolleraient des surfaces sur lesquelles ils étaient déposés.

Cela introduirait alors une source d’erreur dans toutes les mesures effectuées, réduisant ainsi leur précision en tant que capteurs chimiques.

Le Dr Felice Torrisi, maître de conférences au Département de chimie et auteur correspondant de l'article, affirme également qu'il était difficile pour les chercheurs de créer des dispersions de graphène à haute concentration.

"Cela a été, jusqu'à présent, un défi majeur non résolu avec ces encres : la quantité de graphène que vous obtenez par unité de volume, qui a tendance à être très faible par rapport à d'autres encres commerciales contenant, par exemple, des nanoparticules métalliques", dit-il.

Les encres à faible concentration peuvent poser des complications lorsqu’on essaie de les appliquer dans les technologies de capteurs. Selon les chercheurs, devoir pulvériser les encres à plusieurs reprises sur le substrat pour obtenir un revêtement suffisant peut réduire les performances globales du capteur.

L’équipe a surmonté ces deux obstacles en introduisant un stabilisant spécial appelé polyvinylprrolidone (PVP), un polymère souvent utilisé comme liant.

L'ajout de PVP a permis à l'encre d'être stable à des concentrations plus élevées et lui a donné une durée de conservation plus longue.

L'encre au graphène stabilisée était également auto-adhésive, ce qui lui permettait de coller à la surface d'un PCB disponible dans le commerce sans laminage. « Permettre l'intégration de l'encre graphène dans les cartes PCB n'est pas simple : il est difficile de trouver la formulation appropriée pour obtenir une forte adhérence », explique le Dr Torrisi.

"Le dépôt fiable d'encres au graphène sur des cartes PCB commerciales ouvre la voie à une intégration à grande échelle de capteurs de graphène imprimés dans des produits commerciaux", ajoute-t-il.