Чистая вода — основа жизни. Она нужна не только для питья, но и для сельского хозяйства, промышленности, даже для развития городов. Но как быстро и точно определить, что вода загрязнена? Ученые из Национального университета Сингапура (NUS) создали устройство, которое может перевернуть систему мониторинга качества воды.

Идею они позаимствовали у человеческой кожи — точнее, у ее жирового защитного слоя, который отталкивает воду. На его основе разработали материал ReSURF: он самовосстанавливается, его можно перерабатывать, а еще он отлично отталкивает воду. Этот материал встроили в трибоэлектрический наногенератор. Так получился датчик, способный анализировать состав жидкости.

Трибоэлектрический наногенератор (TENG) — устройство, которое преобразует механическую энергию (трение, вибрацию, движение капель) в электричество. Работает на эффекте статического заряда: когда два материала контактируют и разделяются, между ними возникает разность потенциалов.

«ReSURF улавливает даже те загрязнители, которые не видят другие сенсоры, — например, масла и фторированные соединения, — объясняет профессор Бенджамин Ти. — Он автономный, самовосстанавливающийся и многоразовый. Это прорыв для мониторинга воды в реальном времени».

Результаты исследования опубликовали в журнале Nature Communications.

Почему это важно

Сейчас для проверки воды используют сложные методы: электрохимические датчики, оптические системы, биосенсоры. Они хорошо ловят тяжелые металлы или бактерии, но у них есть минусы:

• требуют внешнего питания или реагентов,
• медленно работают,
• часто одноразовые,
• громоздкие.

ReSURF решает эти проблемы. Он срабатывает за 6 миллисекунд — в 40 раз быстрее, чем моргает глаз. Материал гибкий, прозрачный, его можно встроить даже в мягких роботов или носимую электронику. А если датчик повредится — он сам «залечит» царапину.

Как это работает

Когда капля воды с примесями попадает на поверхность датчика, она растекается и скатывается, создавая электрический заряд. По силе и характеру сигнала можно определить, что именно растворено в воде — соли, масла или токсины.

Ученые проверили датчик на мягком роботе в форме рыбы-фугу. Он успешно распознал масляные пятна и перфтороктановую кислоту — опасный загрязнитель.

Где это пригодится

• В реках и озерах — для раннего обнаружения выбросов.
• В сельском хозяйстве — например, для контроля воды на рисовых полях.
• На заводах и очистных станциях — для анализа сточных вод.

Следующий шаг — научить датчик точнее определять типы загрязнений, добавить беспроводную передачу данных и испытать его в долгосрочном мониторинге. «Можно даже подключить ИИ для автоматической классификации загрязнителей», — добавляет профессор Ти.

Главное преимущество ReSURF — скорость и автономность. Сегодня, чтобы проверить воду на сложные загрязнители (например, фторорганику), нужны лаборатории и реактивы. Этот датчик делает анализ на месте за миллисекунды.

В перспективе его можно масштабировать для:

• Экстренного реагирования — например, при авариях на нефтепроводах.
• Умного сельского хозяйства — контроль воды в режиме реального времени снизит риски отравления почвы.
• Городов будущего — интеграция в системы водоснабжения позволит моментально выявлять утечки химикатов.

Но самое ценное — устойчивость технологии. Материал ремонтируется сам и перерабатывается, что снижает затраты и нагрузку на экологию.

Пока неясно, как датчик поведет себя в экстремальных условиях — например, при высоких концентрациях солей или в кислотных средах. В статье нет данных о долгосрочной стабильности сигнала. Кроме того, для массового внедрения придется удешевить производство: микрофазное разделение — не самый простой метод.

Ранее мы опубликовали 10 инновационных трендов в сфере очистки воды.