Цивилизация
Новое исследование ученых из Политехнического института Ренсселира показало, что графеновая пена может послужить газовым детектором, распознающим потенциально опасные и взрывчатые вещества, причем получать ее можно в промышленных количествах. Открытие указывает путь к новому поколению газовых датчиков, которые смогут использовать саперы, службы общественной безопасности, войска, а также заводы в производственных целях.
Как известно,
графен, за открытие которого получили Нобелевскую премию по физике 2010 года ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов, представляет собой отдельные двумерные слои углерода – того самого, из которого состоят графит и уголь.
Пузырьки «пены» детектора состоят именно из таких слоев, плавно переходящих друг в друга без оформленных границ между отдельными листами.
Новый сенсор давал правильные воспроизводимые результаты по измерению аммиака и диоксида азота в количествах около 20 миллионных долей. Детектор представляет собой графеновые нанослои, наложенные друг на друга. Они формируют структуру, подобную пене. Размер гибкого детектора примерно с почтовую марку, толщина как у фетровой ткани, он гибкий и прочный.
Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports, издаваемом в издательстве Nature Publishing Group.
«Мы очень довольны полученными результатами и надеемся, что эта работа станет первым шагом к созданию коммерчески доступных газовых сенсоров. По нашим данным,
они гораздо более чувствительны к аммиаку и диоксиду азота, чем коммерчески доступные детекторы сегодня»,
— заявил профессор Нихил Кораткар, руководивший исследованием вместе с профессором Чен Хуамином из Китайской академии наук.
В последние 10 лет ученые показали, что можно искусственно создавать наноструктуры, чрезвычайно чувствительные к заданным химическим веществам, в частности газам. Однако создать и заставить работать наноструктуру, детектирующую газ, очень сложно и дорого. Сложность технологии производства не оставляла особых надежд на коммерческое внедрение. Отдельные нанослои наносились поочередно с помощью литографии, их положение контролировали с помощью микроскопии, затем следовал еще ряд сложных дорогостоящих шагов. Полученная в мобильном устройстве структура была очень хрупкой, могла легко разрушиться и стать нефункциональной. Кроме того, не всегда было просто удалять из наноструктуры целевой газ, поглощенный ею.
Созданный Кораткаром и его коллегам детектор сохраняет все ценные свойства индивидуальной наноструктуры, однако с ним гораздо проще работать из-за вполне макроскопического размера. Коллеги Кораткара в Китае вырастили графен на матрице никелевой пены. После этого металл удалили – в результате остался хорошо структурированный пеноподобный графен.
Такая структура обладает специфическим сродством к газам. Если поместить ее в воздух с примесью аммиака или диоксида азота, частички газа адсорбируются (или «застревают») в ней. При этом поглощенные
газы модифицируют графеновые слои, и это коренным образом сказывается электрическом сопротивлении всего детектора.
На измерении этого изменения и основан механизм работы сенсора.
Кроме того, графеновый детектор очень легко чистить. Через него пропускают ток силой около 10 мА — этого достаточно, чтобы нагреть структуру настолько, чтобы произошла десорбция частиц газа. Такой механизм очистки не влияет на степень эффективности детектирования газов: процесс сорбции-десорбции газов полностью обратим, то есть это детектор многоразового использования. Это делает технологию малоэнергозатратной: для очистки детектора не нужен внешний источник тепла.
Кораткар выбрал аммиак в качестве тестового газа, на котором были проверенны свойства нового детектора. Нитрат аммония – составная часть многих взрывчатых веществ. При хранении он постепенно разлагается, выделяя аммиак в следовых количествах, поэтому именно детекторы на аммиак используются для поиска взрывчатки. Правда, аммиак используется не только в военных целях: это компонент ряда процессов в химической и фармацевтической промышленности, поэтому не менее важно контролировать содержание этого газа в воздухе цехов, чтобы вовремя заметить утечку.
Испытания графеновой пены показали, что она «чует» аммиак в количествах до тысячи миллионных долей за 5–10 минут при комнатной температуре и атмосферном давлении. При этом регистрируемое изменение сопротивления составляет 30%. Современные коммерчески доступные полимерные сенсоры на порядок хуже: 30-процентное изменение сопротивления достигается через 5–10 минут в воздухе с 10 000 миллионных долей аммиака. Чувствительности графенового детектора хватает на распознавание 20 миллионных долей аммиака в воздухе. Кроме того, ряд современных детекторов энергоемки: для работы их приходится нагревать до высоких температур, а графеновая пена успешно работает в стандартных условиях.
Диоксид азота (его еще называют «лисий хвост» — за окраску) стал вторым тестовым газам.
Многие виды взрывчатки, например нитроцеллюлоза и тринитротолуол (тротил), относятся к нитропроизводным и выделяют диоксид азота при постепенном разложении.
Кроме того, NO2 – один из основных газов-загрязнителей, уровень которого необходимо контролировать в продуктах горения, выхлопах автомобиля и других отходах.
Графеновый детектор «чувствовал» 100 миллионных долей диоксида азота в воздухе за 5–10 минут – сопротивление изменялось в пределах 10%, что снова оказалось в 10 раз эффективнее коммерчески доступных детекторов.
«Это первая наноструктура, пригодная для коммерциализации как газовый датчик», — заключил Кораткар.
Модификация графеновой пены позволит создать детекторы, чувствительные не только к аммиаку и диоксиду азота, но и к другим газам, уверен он.