Совместная исследовательская группа, в которую входят старший научный сотрудник Синсуке Исихара из Frontier Molecules Group, Международный центр наноархитектоники материалов (MANA), Национальный институт материаловедения (NIMS) и профессор Тимоти М. Свагер из Массачусетского технологического института (MIT) разработал химический чувствительный материал, электрическая проводимость которого резко возрастает при воздействии токсичных газов. Кроме того, группа интегрировала чувствительный материал в электронную схему в теге связи ближнего поля (NFC), который встроен в смарт-карты, подобные тем, которые используются для прохода через ворота с билетами на поезд.
Затем было продемонстрировано, что эта технология позволяет смартфонам быстро (за 5 секунд) обнаруживать токсичные газы при низкой концентрации (10 ppm).
Люди в современном обществе подвержены риску воздействия токсичных газов из природных источников (e.грамм., вулканические газы), аварии с утечкой или потенциальные террористические акты.
Средства для легкого и быстрого обнаружения токсичных газов жизненно важны с точки зрения минимизации их вредного воздействия. Доступные в настоящее время датчики токсичных газов дороги, громоздки, тяжелы и сложны в эксплуатации, поэтому устанавливать их во многих общественных местах нецелесообразно (например,.грамм., метро) или для того, чтобы люди носили их.
Совместная исследовательская группа разработала химический чувствительный материал, состоящий из группы углеродных нанотрубок (УНТ), индивидуально обернутых супрамолекулярными полимерами – кластерами мономеров, удерживаемых вместе за счет слабого взаимодействия.
Электропроводность материала увеличивается до 3000 раз при воздействии на него токсичных электрофильных газов. УНТ сами по себе являются материалами с высокой проводимостью, но когда они обертываются супрамолекулярными полимерами, которые служат изоляторами, они становятся плохими проводниками. Супрамолекулярные полимеры были разработаны таким образом, что слабосвязанные участки в молекулах диссоциируют, когда эти участки подвергаются воздействию токсичных газов, в результате чего молекулы обертывания разлагаются. В результате восстанавливается исходное высокопроводящее состояние УНТ.
Степень изменения проводимости прямо пропорциональна концентрации и продолжительности воздействия токсичного газа, а изменение проводимости можно легко измерить с помощью имеющегося в продаже измерителя сопротивления.
Мы создали датчик токсичных газов, измерения которого можно считывать на смартфонах, интегрировав химический чувствительный материал в электронную схему, присутствующую в коммерчески доступной метке NFC. Пользователи могут легко определить наличие / отсутствие токсичного газа, удерживая NFC-совместимый смартфон над встроенным датчиком NFC-тегом, при этом убедившись, что связь между двумя устройствами не нарушена.
Датчик одноразовый, а 1 г химического чувствительного материала составляет 4 миллиона датчиков. Таким образом, возможно серийное производство датчика по невысокой цене.
В будущих исследованиях мы планируем разработать химические сенсоры, способные более чувствительно, быстро и без усилий обнаруживать различные типы токсичных химических веществ, внося изменения в структуру супрамолекулярного полимера.
Мы также разработаем систему, которая будет способствовать повышению безопасности общества за счет выбора типа технологии беспроводной связи (с точки зрения дальности связи, энергопотребления и т. Д.).) совместимы с применением химических датчиков и с учетом интеграции химических датчиков с облачной интернет-технологией.
Это исследование было проведено в Массачусетском технологическом институте при поддержке программы постдокторских исследований за рубежом, предложенной Японским обществом содействия науке.
Исследование было опубликовано в онлайн-версии журнала Американского химического общества 23 июня 2016 г. Также статья об этом исследовании размещена на сайте MIT News (на английском языке).