Используя датчики, исследователи надеются разработать легкие и недорогие значки радиочастотной идентификации (RFID), которые будут использоваться для обеспечения личной безопасности. Такие значки могли носить солдаты на поле боя, чтобы быстро обнаружить присутствие химического оружия, такого как нервно-паралитический газ или удушающие агенты, а также люди, которые работают с опасными химическими веществами, склонными к утечке.«У солдат есть все это дополнительное оборудование, которое в конечном итоге становится слишком тяжелым, и они не могут его выдержать», — говорит Тимоти Сваджер, профессор химии Джона Д. Макартура и ведущий автор статьи с описанием датчиков, опубликованной в журнале. Американского химического общества. «У нас есть что-то, что весит меньше кредитной карты.
И [солдаты] уже имеют с собой беспроводные технологии, так что это то, что может быть легко интегрировано в солдатскую форму, что может дать им защитную способность».Датчик представляет собой схему, заполненную углеродными нанотрубками, которые обычно обладают высокой проводимостью, но были обернуты изоляционным материалом, который поддерживает их в состоянии с высоким сопротивлением. Под воздействием определенных токсичных газов изоляционный материал разрушается, и нанотрубки становятся значительно более проводящими. Это отправляет сигнал, который может быть прочитан смартфоном с технологией связи ближнего поля (NFC), которая позволяет устройствам передавать данные на короткие расстояния.
Датчики достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать менее 10 частей на миллион целевых токсичных газов примерно за пять секунд. «Мы подбираем то, что вы могли бы сделать, с настольным лабораторным оборудованием, таким как газовые хроматографы и спектрометры, которое намного дороже и требует использования квалифицированных операторов», — говорит Свагер.Более того, изготовление каждого датчика обходится примерно в никель; примерно 4 миллиона можно сделать из примерно 1 грамма материалов углеродных нанотрубок. «Вы действительно не можете сделать ничего дешевле, — говорит Сваджер. «Это способ передать восприятие в руки многих людей».Другие соавторы статьи из лаборатории Сваджера: Синсуке Исихара, постдок, который также является членом Международного центра наноархитектоники материалов при Национальном институте материаловедения в Японии; и аспиранты Джозеф Аццарелли и Маркрете Крикориан.
Обертывание нанотрубокВ последние годы лаборатория Сваджера разработала другие недорогие беспроводные датчики, называемые хеморезисторами, которые, среди прочего, обнаруживают испорченное мясо и спелость фруктов. Все они сконструированы одинаково, с химически модифицированными углеродными нанотрубками, поэтому их способность переносить электрический ток изменяется при воздействии целевого химического вещества.На этот раз исследователи разработали сенсоры, очень чувствительные к «электрофильным», или электронным, химическим веществам, которые часто токсичны и используются в химическом оружии.
Для этого они создали новый тип металло-супрамолекулярного полимера, материала, состоящего из металлов, связывающихся с полимерными цепями. Полимер действует как изоляция, оборачивая каждую из десятков тысяч однослойных углеродных нанотрубок сенсора, разделяя их и сохраняя высокую устойчивость к электричеству. Но электрофильные вещества заставляют полимер разбираться, позволяя углеродным нанотрубкам снова собраться вместе, что приводит к увеличению проводимости.
В своем исследовании исследователи бросили нанотрубку / полимерный материал на золотые электроды и подвергли их воздействию диэтилхлорфосфата, раздражителя кожи и реактивного имитатора нервно-паралитического газа. Используя устройство, измеряющее электрический ток, они наблюдали увеличение электропроводности на 2000 процентов после пяти секунд воздействия.
Аналогичное увеличение проводимости наблюдалось для следовых количеств многих других электрофильных веществ, таких как тионилхлорид (SOCl2), имитатор реакции в удушающих средствах. Электропроводность была значительно ниже в ответ на обычные летучие органические соединения, а воздействие большинства нецелевых химикатов фактически увеличивало удельное сопротивление.
По словам Свагера, создание полимера было деликатным балансирующим действием, но критически важным для дизайна. В качестве полимера материал должен разделять углеродные нанотрубки. Но по мере того, как он разбирается, его отдельные мономеры должны взаимодействовать более слабо, позволяя нанотрубкам перегруппироваться. «Мы попали в золотую середину, где это работает, только когда все соединено воедино», — говорит Свагер.Сопротивление читаемо
Чтобы построить свою беспроводную систему, исследователи создали метку NFC, которая включается, когда ее электрическое сопротивление падает ниже определенного порога.Смартфоны излучают короткие импульсы электромагнитных полей, которые резонируют с меткой NFC на радиочастоте, вызывая электрический ток, который передает информацию на телефон.
Но смартфоны не могут резонировать с метками, сопротивление которых превышает 1 Ом.Исследователи применили свои нанотрубки / полимерный материал к антенне метки NFC. При воздействии 10 частей на миллион SOCl2 в течение пяти секунд сопротивление материала упало до такой степени, что смартфон мог пропинговать метку. По сути, это «индикатор включения / выключения» для определения присутствия токсичного газа, говорит Сваджер.
По словам исследователей, такая беспроводная система может быть использована для обнаружения утечек в батареях Li-SOCl2 (литий-тионилхлорид), которые используются в медицинских инструментах, пожарной сигнализации и военных системах.Следующим шагом, по словам Сваджера, будет тестирование датчиков на живых химических агентах за пределами лаборатории, которые более рассредоточены и их труднее обнаружить, особенно на следовых уровнях.
В будущем также есть надежда на разработку мобильного приложения, которое могло бы производить более сложные измерения мощности сигнала метки NFC: различия в сигнале будут означать более высокие или более низкие концентрации токсичного газа. «Но создание новых приложений для мобильных телефонов сейчас немного выходит за рамки наших возможностей», — говорит Сваджер. «Мы химики».