„Printarea 3D a senzorilor pe bază de nanofire în rețea de heterojoncțiuni non-planare” – este noua lucrare științifică de excepție semnată de  profesorii Departamentului Microelectronică și Inginerie Biomedicală (DMIB) din cadrul Facultății Calculatoare, Informatică și Microelectronică, Nicolai ABABII, doctorand, anul III, Bursier de Excelență al Guvernului Republicii Moldova, lector universitar, împreună cu prof. univ., dr. Victor ȘONTEA, șef DMIB, și prof. univ., dr. hab. Oleg LUPAN, directorul Centrului Nanotehnologii și Nanosenzori, titular DMIB. În colaborare cu echipa profesorului Rainer ADELUNG, dr. hab. la Universitatea din Kiel, Germania, cercetătorii noștri au proiectat, obținut și cercetat în premieră senzori de acetonă pe bază de nanofire în rețea de heterojoncțiuni p-n prin metoda printării 3D (https://authors.elsevier.com/c/1aRAp7soS7u27~). Rezultatele acestei lucrări științifice au fost recenzate, acceptate și publicate rapid în una din prestigioasele reviste ştiinţifice de specialitate – „Nano Energy” (Elsevier) cu factor de impact 15,5, de către editorul-șef, prof., dr. Zhong Lin WANG, cu indicele h de peste 200 (SCOPUS) plasat pe locul #15 la nivel mondial între toți oamenii de știință din toate domeniile! (https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3000384)

Cererea sporită a dispozitivelor individuale din epoca modernă Internet-of-Things (IoT) cu seturi de proprietăți selectate, clar definite de către consumator, necesită materiale sofisticate polivalente, dar abordări tehnologice moderne pentru fabricarea dispozitivelor din aceste nanomateriale.

Lucrarea elucidează efortul considerabil de a fabrica în doar doi pași și a caracteriza senzori de acetonă imprimați pe baza semiconductorilor micști din oxizi metalici (tip-p și tip-n). Noile dispozitive sunt fabricate din microparticule metalice prin imprimarea 3D – scriere directă (Direct Ink Writing) a dungilor de particule din fier pur și din cupru disponibile comercial pe suprafața unui substrat de sticlă, formând o împletire de oxizi semiconductori cu mai multe faze cristaline formate după recoacere termică ulterioară. Structura 3D propusă și elaborată de autori este deschisă, extrem de poroasă și constă din heterojoncțiuni pn non-planare care sunt interconectate prin nanofire CuO/Cu2O/Cu și nanofolii din Fe2O3/Fe. Studiile morfologice, vibraționale, chimice și structurale au fost efectuate pentru a investiga nanostructurile obținute care formează contactul pe suprafața microparticulelor. Totodată, autorii se concentrează în lucrarea dată pe studiul consumului de energie care este extrem de redus la detectarea gazului care a arătat o selectivitate față de vaporii de acetonă la o temperatură de operare de aproximativ 300°C cu o valoare destul de ridicată. La operarea acestui tip de dispozitiv, răspunsul la gaz este de aproximativ 50%, iar puterea de consum foarte mică, de aproximativ 0,25 μW, față de o concentrație de 100 ppm vapori de acetonă. Combinația posibilității de detectare a vaporilor de acetonă, dimensiunea și geometria controlabile, precum și consumul puterii ultra-redusă fac ca aceste structuri tipărite să fie candidați importanți pentru viitoarele dezvoltări de detectare accesibilă ca dispozitive microelectronice, precum și monitorizarea vaporilor de acetonă (chiar și concentrații sub 1 ppm). Tipărirea materialelor deschide calea pentru o nouă generație de dispozitive electronice tipărite/imprimate diferit, chiar și în condiții casnice, pentru o varietate de aplicații adaptate de compoziția și geometria benzilor tipărite din microparticule, activate prin simplitate și versatilitatea metodei de fabricație. [1-3]

Vaporii de acetonă reprezintă un reactiv utilizat pe scară largă în gospodării, industrie și în diverse aplicații de laborator, este foarte dăunător sănătății umane și biologiei, astfel identificarea rapidă a acesteia este crucială [4-7]. Din punct de vedere istoric, acetona endogenă este măsurată în respirația expirată pentru a monitoriza cetoza la pacienții sănătoși și cei diabetici. Nivelul acestor vapori expirați poate varia de la 1 ppm la persoanele sănătoase care sunt nedietici și la mai mult de 2 ppm – 1250 ppm la pacienții cu cetoacidoza diabetică [4]. Astfel, dispozitivele portabile printate 3D individual pentru astfel de senzori sunt foarte importante pentru a fi produse pe scară largă și eficient din punct de vedere al costurilor, deoarece numărul diabeticilor a crescut în mod semnificativ (dublat) în ultimele decenii.

Importanța elaborării profesorilor de la UTM (https://authors.elsevier.com/c/1aRAp7soS7u27~) constă în simplicitatea dispozitivului printat 3D pentru prima dată pe baza semiconductorilor micști din oxizi metalici (de tip-p și de tip-n), formarea joncțiunilor pn la scară nanometrică și posibilitatea de extindere în producere cu aplicații microelectronice, electronice și biomedicale fără a folosi laboratoare sofisticare sau încăperi curate „clean rooms” și procedee tehnologice sofisticare – costisitoare. În așa mod, aceste rezultate ale profesorilor departamentului MIB, FCIM, al UTM în colaborare cu savanții din Germania reprezintă un pas important în domeniul nanoștiinței, microelectronicii, nanotehnologiilor cost-efective, dar și a nano-ingineriei pe plan internațional.

Aceste cercetări raportate și apreciate la nivel internațional au fost susţinute parţial de Proiectul NATO Science for Peace and Security Programme (SPS) under grant G5634, „Advanced Electro-Optical Chemical Sensors” AMOXES și de către UTM.

Referinţe online:

[1] https://authors.elsevier.com/c/1aRAp7soS7u27~

[2] https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104420

[3] http://mib.utm.md/

[4] Measuring Breath Acetone for Monitoring Fat Loss: Review. Obesity 2015, 2327–2334.

[5] E. MacDonald, R. Wicker, Multiprocess 3D printing for increasing component functionality, Science 353 (2016), aaf2093, https://doi.org/10.1126/science. aaf2093.

[6] O. Lupan, V. Postica, N. Wolff, O. Polonskyi, V. Duppel, V. Kaidas, E. Lazari, N. Ababii, F. Faupel, L. Kienle, R. Adelung, Localized synthesis of iron oxide nanowires and fabrication of high performance nanosensors based on a single Fe2O3 nanowire, Small 13 (2017) 1602868, https://doi.org/10.1002/ smll.201602868

[7] Nano Energy 70 (2020) 104420