Development of nanostructured carbon-based platforms for advanced gas sensing

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.Among forefront applications of nanostructured carbon materials such as graphene and nanotubes, breathomics, environmental monitoring and food industry are challenging physics, chemistry and device engineering to develop extremely sensitive, selective, and stable platform to recognize ppb amount of target molecules in the environment. In this thesis, the development of 6 platforms will be presented. The platforms are based on nanostructured carbon aimed mostly to discriminate potential pathologies through pattern recognition in molecular fingerprint of breath samples, but also for environmental monitoring or food industry applications. This objective will be realized through properly developed devices based first on CNTs on a plastic substrate or on silicon/silicon oxide substrate and then on graphene on silicon nitride. Different kinds of functionalization techniques of graphene and CNTs will be explored to enhance the sensitivity of the pristine layers, as well as different functionalization materials, going from nanoparticles to organic molecules or diazonium salt precursors. The characterization of the materials involves electron and Raman spectroscopies, as well as atomic force microscopy, while gas exposures are carried out in the lab environment, which is much closer to the destination of the developed sensors, trying to investigate a low-ppm range or sub-ppm range of the considered gases. The gas discrimination is assessed through principal component analysis (PCA). Finally, one of the developed devices is exposed to the exhaled breath of healthy subjects or patients affected by chronic obstructive pulmonary diseases (COPD), demonstrating a remarkable capability to discriminate between healthy and sick patients