В Сколтехе спроектировали датчик для обнаружения вредных веществ в воздухе

В Сколтехе разработали новый датчик, который может быстро и точно определять наличие вредных газов в воздухе. Он похож на устройство, которое можно использовать для выявления огнеопасного ацетона, токсичных сероводорода и двуокиси азота, а также других опасных веществ.

Датчик работает за счет специального чувствительного элемента — «ткани» из углеродных нанотрубок, которая подвешена между двумя электродами. Это первый сенсор такой конструкции с использованием нанотрубок.

Ученые говорят, что датчик может обнаружить вредные вещества в воздухе за 40 секунд. А если сделать два или более измерения подряд, то точность датчика станет еще выше.

Результаты опубликованы в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.

Есть разные виды газовых сенсоров, которые используются в разных ситуациях.

Полупроводниковые сенсоры, подобные тому, что разработали в Сколтехе, идеально подходят для постоянного мониторинга качества воздуха, так как они потребляют мало энергии и стоят недорого. Они очень чувствительны, но из-за этого могут реагировать на множество разных веществ. Поэтому иногда сложно понять, сколько именно какого-то конкретного вещества содержится в воздухе.

Чтобы полупроводниковые сенсоры реагировали только на определенные вещества, ученые вдохновляются тем, как работает обоняние у млекопитающих.

«Есть такой материал — ткань из углеродных нанотрубок. Она особенная, потому что может менять свое электрическое сопротивление, когда рядом оказываются некоторые газы. Это значит, что она может реагировать по-разному на разные газы и их количество. И это свойство можно использовать в разных технологиях, — рассказывает первый автор исследования, стажер-исследователь и аспирант программы „Науки о материалах“ Сколтеха Константин Заманский. — Ведь обоняние человека тоже устроено так, что рецепторы в эпителии реагируют на самые разные вещества. Но разные группы рецепторов реагируют на каждый запах по-своему. И по силе активации связанных с ними нейронов мозгу удается распознать, с каким запахом имеет дело нос».

Ученые предложили новый способ обнаружения газов с помощью сенсоров. Они сравнивают его с работой носа и мозга.

В этой системе каждый сенсор играет роль «рецептора». Множество сенсоров вместе образуют „нос“. Когда появляется газ, система сенсоров генерирует сигнал, который можно исследовать на наличие нужного вещества. Это похоже на то, как мозг распознает запахи.

Ученые используют особый материал — фрагмент ткани из углеродных нанотрубок. Этот материал подвешен в воздухе между двумя электродами. Электроды напылены золотом на подложку из оксида алюминия. Такое устройство позволяет быстро нагревать или охлаждать сенсор до нужной температуры. За 40 секунд прибор может измерить сопротивление сенсора при 400 различных температурах от 25 °C до 125 °C.

Модель машинного обучения анализирует 400 значений, чтобы распознать запах определенного газа. Точность такого анализа составляет примерно 90%.

Если результаты анализа совпадают в нескольких циклах подряд, то вероятность ошибки становится меньше примерно в 10 раз. Это повышает уверенность в результате до 99% уже через две минуты после начала мониторинга.

Стоимость одного измерения с помощью этого метода при определении двуокиси азота оказывается ниже, чем у других датчиков.

Создатели сенсора использовали специальную технологию, которая позволила им не только понять сигнал устройства, но и учесть изменение его работы со временем. Это важно, потому что при длительном использовании отклик на одни и те же газы может меняться.

Благодаря этой технологии процент ошибок снизился в два раза, а точность измерений достигла 90%. Эта проблема актуальна и для других подобных устройств, но не во всех работах она учитывается. Здесь же решение проблемы было найдено для периода использования в 10 часов.

Ранее ученые клонировали нанотрубки, чтобы раскрыть из потенциал в электронике.

09.12.2024