Физики и химики СГТУ имени Гагарина Ю. А. совместно с коллегами из Национального исследовательского университета «МИЭТ» и Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН представили разработку в области сенсорных технологий, сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ. Ученые создали двумерный материал на основе карбида вольфрама (W1.33C i-MXene) для обнаружения и распознавания различных газов и влажности в концентрациях ниже порога восприятия человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.
Изобретение будет полезно везде, где важно быстро и надежно определять наличие вредных или опасных веществ — в интернете вещей, системах мониторинга окружающей среды, в инфраструктурах «умного дома» и «умного города», а также в интеллектуальной электронике.
Экспериментальная установка «электронный нос» осуществляет детектирование и распознавание газовых сред в атмосфере подобно биологическому обонянию. Рецепторную функцию выполняет материал, нанесенный на мультиэлектродный чип, путем изменения своих электрических характеристик при контакте с молекулами газа. Нам удалось доказать повышение сопротивления W1.33C i-MXene при воздействии паров разных веществ, включая кетоны, спирты, ароматические соединения и влагу. При этом точность различения достигается благодаря одновременному считыванию показаний множества датчиков и применению методов искусственного интеллекта, обрабатывающих сигналы. Этот процесс похож на то, как головной мозг млекопитающих сортирует запахи.
Сверхчувствительный материал содержит слои из атомов металла и углерода толщиной в несколько атомов. Он получен методом селективного травления из объемных кристаллов. Ключевой особенностью его является наличие в структуре пустот на атомных позициях металла — именно благодаря им материал эффективнее захватывает молекулы на своей поверхности, улучшая способность реагировать на изменение состава атмосферы.
Представители СГТУ имени Гагарина Ю. А. пояснили Наука Mail, что синтез вольфрамового максена осуществлялся постадийно, первоначально было получено соединение вольфрама, гольмия, алюминия и углерода. На второй стадии селективно были удалены гольмий и алюминий. На финальной стадии осуществляли расслоение и промывку. Отправной точкой послужила гипотеза в ожидаемых сенсорных свойствах, благодаря вакансиям от удаленных атомов гольмия и двумерной структуре. Формула была известна ранее, однако протокол синтеза был адаптирован под требования к газочувствительным материалам.
Упорядоченные вакансии (пустоты) в структуре i-MXene играют решающую роль. Они не только существенно увеличивают площадь активной поверхности, но и изменяют её электронные свойства, облегчая взаимодействие с молекулами анализируемых газов.
Этот подход позволяет целенаправленно настраивать свойства материала для решения конкретных задач в области сенсорики, катализа и накопления энергии — позволяет добиться высокой чувствительности без необходимости нагрева сенсорного элемента, что кардинально снижает энергопотребление устройства. Список исследованных паров аналитов не является окончательным.
Разработка поддержана грантом Российского научного фонда (24−79−00074) и открывает перспективы для создания нового поколения малогабаритных «умных» датчиков, которые будут потреблять минимум энергии, отличаться высокой чувствительностью и возможностью гибкой настройки под различные прикладные задачи.
Следует подчеркнуть, что i-MXene является новым материалом, открытым зарубежными исследователями сравнительно недавно. Именно группе ученых из СГТУ имени Гагарина Ю. А. удалось впервые в России успешно его синтезировать.
Как сообщили представители СГТУ имени Гагарина Ю.А. Наука Mail, этап, предваряющий ОКР, закончен, последующие этапы внедрения зависят от инвестиций. В дальнейшем планируется повысить стабильность устройств.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что такое электронный нос.
