Лазерное письмо может создать «электронный нос» для многих

29 июня 2022 г.

Эшли Дж. ВеннерсХеррон, Университет штата Пенсильвания

Датчики окружающей среды стали на шаг ближе к одновременному обнаружению нескольких газов, которые могут указывать на болезнь или загрязнение, благодаря сотрудничеству штата Пенсильвания. Хуаньюй «Ларри» Ченг, доцент кафедры инженерных наук и механики в Инженерном колледже, и Лорен Зарзар, доцент кафедры химии в Научном колледже Эберли, и их команды объединили технологии лазерного письма и чувствительных сенсоров, чтобы изготовить первый микромасштаб с широкими возможностями настройки. газочувствительные устройства.

В этом месяце они опубликовали свою технику в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

«Обнаружение газов имеет решающее значение для различных областей, включая мониторинг загрязнения, обеспечение общественной безопасности и личное здравоохранение», — сказал Ченг. «Чтобы удовлетворить эти потребности, сенсорные устройства должны быть небольшими, легкими, недорогими и простыми в использовании и применяться к различным средам и субстратам, таким как одежда или трубопроводы».

По словам Ченга, задача состоит в том, чтобы создать устройства с желаемыми свойствами, которые по-прежнему можно адаптировать к инфраструктуре, необходимой для одновременного точного и точного определения различных целевых газов. Вот тут-то и пригодится опыт Зарзара в области лазерного письма.

«Техника лазерного письма дает свободу дизайна в самых разных областях», — сказал Зарзар. «Расширение нашего понимания того, как напрямую синтезировать, моделировать и интегрировать новые материалы, особенно наноматериалы и композиты наноматериалов, в сложные системы позволит нам создавать все более сложные и полезные сенсорные технологии».

Ее исследовательская группа разработала лазерно-индуцированный термический воксельный процесс, который позволяет одновременно создавать и интегрировать оксиды металлов непосредственно в сенсорные платформы. Оксиды металлов — это материалы, которые реагируют на различные соединения, запуская сенсорный механизм. При помощи лазерного письма исследователи растворяют соли металлов в воде, а затем фокусируют лазер на растворе. Высокая температура разлагает раствор, оставляя после себя наночастицы оксидов металлов, которые можно спекать на платформе датчика.

Этот процесс упрощает предыдущие методы, которые требовали заранее определенной маски запланированного шаблона. Любые изменения или корректировки требовали создания новой маски, что стоило времени и денег. По словам Зарзара, лазерное письмо «без маски», и в сочетании с термическим воксельным процессом оно позволяет быстро повторять и тестировать несколько конструкций или материалов для поиска наиболее эффективных комбинаций.

«Точное паттернирование также является необходимым компонентом для создания «электронных носов» или массивов датчиков, которые действуют как нос и могут точно обнаруживать несколько газов одновременно», — сказал Александр Кастонге, аспирант химического факультета и соавтор первого исследования. автор на бумаге. «Такое точное обнаружение требует создания рисунка из различных материалов в непосредственной близости, на самом тонком микромасштабе. Немногие методы создания рисунка имеют такое разрешение, но подход, подробно описанный в этом исследовании, позволяет. Мы планируем использовать методы и материалы, описанные здесь, для разработки прототипы электронного носа».

Исследователи протестировали пять различных металлов и их комбинаций, которые в настоящее время используются в датчиках. По словам Кастонгея, точка соприкосновения оксидов разных металлов, называемая гетеропереходом, создает уникальную среду на границе двух материалов, которая улучшает реакцию датчиков газа. Команда обнаружила, что гетеропереход оксида меди и оксида цинка в 5–20 раз усиливает реакцию на исследуемые газы — этанол, ацетон, диоксид азота, аммиак и сероводород — по сравнению только с оксидом меди.

«Это открытие подтверждает другие сообщения в научной литературе о том, что создание систем смешанных оксидов может привести к значительному увеличению отклика датчиков, и демонстрирует эффективность метода лазерно-индуцированных термических вокселей для изготовления датчиков газов из смешанных оксидов», — сказал Кастонгуэй. «Мы надеемся, что, объединив знания группы Zarzar в области лазерной записи с опытом работы в области носимых датчиков группы Cheng, мы сможем расширить наши возможности для создания новых, настраиваемых датчиков».