Учёные из ETH Zurich и Института коллоидов и поверхностей Макса Планка в Потсдаме разработали новый тип датчика, который может измерять углекислый газ (CO2). По сравнению с существующими датчиками он имеет более простую конструкцию, меньшие габариты, потребляет значительно меньше энергии и обладает совершенно иным принципом функционирования.
Новый датчик состоит из недавно разработанного композитного материала, который при взаимодействии с молекулами CO2 изменяет электропроводность в зависимости от его концентрации в окружающей среде. Ученые ETH создали чип с этим материалом, что позволяет им определять концентрацию CO2 простым измерением электрического сопротивления.
Датчик CO2 - чип с тонким слоем композита из полимера с наночастицами.
Основа композиционного материала представляет собой цепеобразную макромолекулу из солей называемых ионными жидкостями, которые являются жидкими и проводящими при комнатной температуре.
Известно, что ионные жидкости могут адсорбировать CO2. "Мы спросили себя, можем ли мы использовать это свойство для получения информации о концентрации СО2 в воздухе и тем самым разработать новый тип датчика газа", говорит Кристоф Вилла, докторант в Лаборатории многофункциональных материалов.
Учёные смешали полимеры с особыми неорганическими наночастицами, которые также взаимодействуют с СО2. Экспериментируя с этими материалами, ученые смогли создать композит. "Отдельно ни полимер, ни наночастицы не проводят электричество,"- говорят исследователи, - "но когда мы объединили их в определенном соотношении, их электропроводность быстро возросла."
И не только это удивило ученых. Они были также поражены, что электропроводность композиционного материала при комнатной температуре зависит от содержания СО2. До сих пор материалы демонстрировали аналогичные свойства только при температуре в несколько сот градусов Цельсия. Нагрев нового композитного материала не является необходимым, что значительно облегчает его использование.
Пока точно не ясно почему изменение CO2 влияет на электропроводность. Тем не менее, ученые обнаружили признаки того, что химическое изменение, вызванное наличием СО2, происходит на границе раздела между наночастицами и полимерами в нанометровом диапазоне. Учёные решили, что СО2 влияет на подвижность заряженных частиц в материале.
С помощью нового датчика, ученые могут измерить концентрацию СО2 в широком диапазоне - от концентрации 0,04 до 0,25 объемных процентов.
Исследователи полагают, что новый материал позволит изготовить портативные устройства для измерения качества воздуха при подводном плавании, альпинизме и в медицинских устройствах.
Источник: Willa C, Yuan J, Niederberger M, Koziej D: When Nanoparticles Meet Poly(Ionic Liquid)s: Chemoresistive CO2 Sensing at Room Temperature. Advanced Functional Materials 2015, 25: 2537-2542.