DEVELOPMENT OF NANOSTRUCTURED CARBON-BASED PLATFORMS FOR ADVANCED GAS SENSING

Abstract

Tra le applicazioni all'avanguardia di materiali a base di carbonio nanostrutturato, come grafene e nanotubi di carbonio (CNTs), l'analisi del respiro (i.e. breathomics), il monitoraggio ambientale e l'industria alimentare stanno oggigiorno sfidando la fisica, la chimica e l’ingegneria dei materiali a sviluppare piattaforme di sensori estremamente sensibili, affidabili e stabili, che siano in grado di rilevare piccolissime quantità (ordine dei ppb) di molecole di gas nell’ambiente che le circonda. In questa tesi, verrà presentato lo sviluppo di 6 piattaforme di sensori di gas. Queste piattaforme saranno sviluppate con carbonio nanostrutturato e avranno come scopo principale quello di discriminare potenziali patologie attraverso il riconoscimento di pattern molecolari presenti nel respiro esalato, nonché la loro possibile applicazione nel monitoraggio ambientale degli inquinanti e nell’industria alimentare. Questo obbiettivo verrà realizzato sviluppando dapprima piattaforme a base di CNTs su un substrato di plastica o su silicio/ossido di silicio e successivamente a base di grafene su nitruro di silicio. Verranno esplorati diversi metodi di funzionalizzazione sia per i CNTs che per il grafene, per aumentarne la sensitività, e verranno utilizzati diversi materiali per la funzionalizzazione, incluse nanoparticelle, molecole organiche o sali di diazonio. Tecniche di spettroscopie Raman ed elettroniche unitamente a microscopia a forza atomica verranno utilizzare per caratterizzare i campioni, mentre le esposizioni di gas verranno effettuate in aria, condizione più simile a quella delle applicazioni finali dei sensori, cercando di indagare concentrazioni dei gas selezionati nel sub-ppm o di poche decine di ppm. L’analisi delle componenti principali (PCA) verrà utilizzata per testare le capacità di discriminazione dei gas delle piattaforme sviluppate. Infine, uno dei nasi elettronici sviluppati verrà testato con il respiro esalato di soggetti sani o affetti da broncopneumopatie cronico ostruttive (COPD), dimostrando un’ottima capacità di discriminare e riconoscere le due classi di pazienti.