Президентская программа
исследовательских проектов

Для создания прототипа «вечного» датчика газов использовали углеродные нанотрубки

30.12.2019 | ТАСС
Фото: разработанный макет газового датчика на основе углеродных нанотрубок. Источник: Олег Ильин

Ученые из Таганрога использовали углеродные нанотрубки для создания прототипа "вечного" датчика газов, который может улавливать даже небольшие следы различных летучих веществ. Они помогут создать энергоэффективные системы обнаружения опасных веществ в воздухе, пишет пресс-служба Российского научного фонда (РНФ).

"Полученные результаты могут быть использованы при разработке перспективных сенсорных устройств на основе углеродных нанотрубок. Это, например, портативные переносные приборы, а также мультисенсорные системы для одновременного определения сразу нескольких газов или их соединений", - прокомментировал один из авторов работы, доцент Южного федерального университета Олег Ильин.

Первые углеродные нанотрубки были созданы экспериментальным путем, детально их изучили в 1991 году. Как показали первые опыты, они обладают множеством полезных свойств. В частности, нанотрубки хорошо проводят тепло и ток, отличаются высокой прочностью и механической устойчивостью. Однако позже ученые выяснили, что нанотрубки очень сложно использовать на практике из-за их малых размеров и сложностей в их соединении и сплетении в единые волокна.

Тем не менее, относительно недавно физики и химики обнаружили, что нанотрубки значительно более интересны, если добавлять их в другие материалы или даже "вставлять" в клетки живых существ. К примеру, три года назад ученые из США превратили растения в сверхчувствительные детекторы взрывчатки, которые начинают светиться при появлении в воздухе ее молекул, а также утроили эффективность фотосинтеза при помощи нанотрубок.

Ильин и его коллеги решали схожую задачу - они экспериментировали с переплетенными нанотрубками, которые состояли из нескольких слоев атомов углерода. Ученые хотели приспособить их для работы в качестве главного компонента датчиков газов.

Ученые достаточно давно предполагают, что эти структуры можно заставить улавливать молекулы или атомы определенных веществ и игнорировать остальные компоненты воздуха, что превратит их в сверхчувствительные детекторы определенных опасных или полезных веществ. Вдобавок, в отличие от классических улавливателей газов, нанотрубки гораздо проще и быстрее очищать от скопившихся в них молекул.

Лес из нанотрубок

Как отмечает Ильин, проблема заключается в том, что размерами и другими важными свойствами нанотрубок, которые влияют на качество работы подобных датчиков, почти невозможно управлять. Российские исследователи проверили, как все эти параметры будут влиять на свойства детектора, создав несколько прототипов подобных установок, нанеся "лес" переплетенных нанотрубок на пленку из соединения олова, индия и кислорода.

Принцип работы этого детектора очень прост - различные молекулы газов, если они "застревают" внутри нанотрубок, значительно меняют то, насколько хорошо те проводят электрический ток. Соответственно, наблюдая за изменениями в их сопротивлении, можно понять, как много молекул того или иного вещества присутствует в воздухе.

Как отмечают Ильин и его коллеги, опыты с прототипом детектора помогли им выяснить, как различные особенности процедуры нанесения нанотрубок на пленку, в том числе температура и продолжительность их обработки, влияли на их толщину и высоту, а также на их взаимодействия с газами. Это помогло ученым подобрать наиболее удачные условия для изготовления детектора и подготовить несколько рабочих прототипов.

Первые опыты с ним показали, что нанотрубки очень чувствительны к кислороду, азоту и аргону, и могут распознавать их следы даже в том случае, если их концентрация в воздухе составляет лишь 30-50 частей на миллион (0,003%-0,005%).

При этом для очистки нанотрубок, в отличие от классических детекторов газа, их не нужно нагревать и тратить большие количества энергии - их работа восстанавливается даже при комнатной температуре. Как надеются ученые, их изобретение, при его дальнейшей доработке, сможет конкурировать с самыми совершенными датчиками, присутствующими сегодня на рынке.

Возврат к списку