В ТПУ разработали метод создания функционального композита для гибких датчиков

Технологию создания материалов для гибких и долговечных датчиков на основе металлоорганических каркасов, MOF, разработали учёные из ТПУ совместно с коллегами из Китая.

Эти материалы получают с помощью лазерной обработки, в результате которой каркасы превращаются в люминесцентные наноуглероды. Такой композит может служить гибкими электродами для высоконадёжных датчиков температуры и изгиба.

Исследование проводилось при грантовой поддержке Российского научного фонда и Государственного фонда естественных наук Китая.

Результаты работы ученых опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.

Учёные ТПУ обнаружили, что с помощью лазерной обработки полимеров MOF можно увеличить сигнал люминесценции до 70 раз. Это позволяет использовать его для измерения температуры и надёжного определения изменений в работе датчиков, которые реагируют на температуру, давление или деформацию. Такие датчики широко применяются в различных областях — от транспорта и энергетики до медицины.

Учёные из Томского политеха предложили простой способ увеличить люминесценцию MOF. Другие методы требуют больше времени и сложных этапов синтеза.

Способ заключается в трансформации MOF, содержащего цинк и органические лиганды, в высоколюминесцентные N-легированные наноуглероды. Исследования проводились научной группой ТERS-Team ТПУ под руководством профессора Евгении Шеремет и их коллегами под руководством профессора Ранран Ванг из Шанхайского института керамики Китайской академии наук.

Учёные исследовали тип металлоорганического каркаса ZIF-8 и то, как на него влияет лазерная обработка.

ZIF-8 состоит из цинка и органических молекул, которые образуют кристаллическую структуру. Этот материал имеет большую площадь поверхности, контролируемую пористость и может сочетать разные ионы металлов и органические лиганды.

Учёные Томского политеха провели эксперименты, чтобы выяснить, как непрерывное лазерное излучение влияет на свойства фотолюминесценции материала. Для этого они наносили металлоорганические каркасы на разные подложки и подвергали их лазерному облучению с разной длительностью импульса.

Мы обнаружили интересный эффект: при облучении ZIF-8 лазером получается материал с интенсивной люминесценцией, вне зависимости от подложки. Это было сделано с помощью лазера.

Материал превратился в легированный азотом наноуглерод и наноструктуры оксида цинка. При использовании гибкой полиуретановой плёнки, напечатанной на 3D-принтере, произошла интеграция углерода в подложку. Материал стал электропроводящим и механически прочным для гибкой электроники, — рассказывает Чан Туан Хоанг, один из авторов статьи и инженер Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ.

Учёные выяснили, что новый композит обладает несколькими важными свойствами: он податлив биологически, чувствителен к температуре и прочен.

Исследователи также проверили, можно ли использовать композит в датчиках температуры и деформации. Оказалось, что электрическое сопротивление материала меняется при деформации, а люминесценция — при изменении температуры. При этом материал долго не разрушается: его можно согнуть 10 тысяч раз, и он сохранит свои свойства. Это позволит создавать датчики, которые независимо измеряют температуру и изгиб.

24.09.2024