Bằng cách ghép các nguyên tử boron với graphene tạo thành cấu trúc heteroatom (trong đó, các nguyên tử không phải các bon liên kết với các nguyên tử các bon tạo thành một phần của vòng phân tử), các nhà nghiên cứu đã chế tạo cảm biến phát hiện các phân tử khí có nồng độ đặc biệt thấp: vài phần tỷ với khí oxit nitơ (NOx) và vài phần triệu với khí amoniac. Theo các nhà khoa học, điều này tương đương độ nhạy với NOx cao hơn 27 lần và tỷ lệ phát hiện khí amoniac lớn hơn 105 lần graphene không được xử lý.

"Đây là dự án mà chúng tôi đã theo đuổi trong bốn năm qua", Mauricio Terrones, giáo sư vật lý, hóa học và khoa học vật liệu tại Đại học Penn cho biết. "Trước đây, chúng tôi có thể pha tạp graphene với các nguyên tử nitơ, nhưng rất khó pha với boron. Khi chúng tôi có thể tổng hợp những gì chúng tôi tin rằng sẽ là graphene boron, chúng tôi đã hợp tác với các chuyên gia Hoa Kỳ và trên toàn thế giới để xác nhận nghiên cứu của chúng tôi và thử nghiệm các tính chất của vật liệu mới".

Graphene gồm cácbon và boron là một nguyên tố đứng ngay cạnh các bon trong bảng tuần hoàn. Điều này có nghĩa chúng là những nguyên tử tương tự nhau nên có thể kết hợp tương đối tốt. Thật không may, các hợp chất của boron có xu hướng phá vỡ rất nhanh khi tiếp xúc với không khí, do đó, việc kết hợp hai nguyên tố này còn nhiều hạn chế khi đề cập đến các phương pháp sản xuất graphene bình thường.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị lắng đọng hóa học từ hơi nhờ sự hỗ trợ của máy sục khí để tách boron từ khí quyển, trong khi kết hợp nguyên tố này với graphene để sản xuất một tấm graphene pha tạp boron rộng 1 cm2.

Sau khi tạo ra những tấm graphene pha tạp boron, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang Viện Nghiên cứu Honda Hoa Kỳ ở Columbus OH, nơi chúng được so sánh với các cảm biến khí siêu nhạy thông dụng. Đồng thời, phòng thí nghiệm Novoselov tại trường Đại học Manchester, Anh (nơi graphene đã được tổng hợp lần đầu tiên và cũng là nơi bóng đèn graphene thương mại đầu tiên được sản xuất), đã kiểm tra chức năng vận chuyển điện tử của các cảm biến, trong khi các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ và Bỉ xác nhận các nguyên tử boron được kết hợp vào mạng lưới graphene và đã quan sát ảnh hưởng của chúng đến các phân tử amoniac hoặc NOx.

Các loại cảm biến mới này có thể được ứng dụng để cảnh báo an toàn cho người lao động trong phòng thí nghiệm hoặc các doanh nghiệp thương mại có sử dụng amoniac, nơi hiện tượng rò rỉ và tràn khí không chỉ gây ăn mòn mạnh mà còn nguy hại đến sức khỏe; hoặc để phát hiện NOx rò rỉ trong các khu vực có ô tô hoặc khu công nghiệp, nơi khói thải từ động cơ chứa khí có thể gây chết người trong không gian hẹp.

Các nhà khoa học cũng tin rằng nghiên cứu lý thuyết của họ hướng tới việc sử dụng graphene pha tạp boron để cải thiện mọi thứ như pin lithium-ion bằng cách kiểm soát lượng khí sinh ra cho hiệu quả tối ưu.