Ved at kombinere banebrydende materialer for mere effektiv, følsomme gassensorer

Den menneskelige næse kan skelne mellem en billion forskellige kombinationer af lugte. Ikke desto mindre, der er masser af gasser, som vores næser ikke kan registrere på det følsomhedsniveau, vi har brug for. Det er her, gassensorer kommer ind i billedet. Mens nogle af de første sensorer var dyr – som kanariefugle i kulminer – har vi siden erstattet dem med teknologier, der kan registrere minimale mængder kemikalier i luften.

Ligesom vores egne næser, gassensorer er afgørende for sikkerhed og komfort. På fabrikker, gassensorer kan advare ledere om kemiske lækager eller processer, der kører forkert. Uden for, de måler forurenende stoffer, hjælpe byer med at overvåge luftkvaliteten. I hjemmene, de holder familiemedlemmer sikre. Bygningsledere bruger målinger fra fugt- og temperatursensorer for at maksimere energieffektiviteten.

Disse sensorer ville ikke eksistere uden en grundlæggende forståelse af kemi og fysik. Denne grundlæggende viden hjælper videnskabsmænd med at forstå, hvordan og hvorfor sansematerialer interagerer med gasformige kemikalier. Mange banebrydende materialer lover til brug i sensorer, hvis kun videnskabsmænd kan lære at producere og kontrollere dem bedre.

"Sensorer er hvor materialeforskning møder miljødetektion, " sagde Pete Beckman, en forsker ved Department of Energy's Argonne National Laboratory (ANL).

For at skabe grundlaget for innovation, DOE Office of Science finansierer projekter og brugerfaciliteter, der understøtter sensorforskning.

Oprettelse af materialer til sansning

Som næser, sensorer er afhængige af en kombination af komponenter til at detektere og give mening om gasser eller kemikalier i luften. Hos mennesker, molekyler flyder op i din næse og binder sig til specielle neuroner. Neuroner sender derefter beskeden videre til hjernen. I sensorer, materialet inde i sensoren fungerer som en neuron. Når dette materiale interagerer med et kemikalie i luften, det kan udsende lys, ændre dens evne til at lede elektricitet, eller skifte form. Materialerne og elektronikken omkring sansematerialet kommunikerer denne besked til sensorens "hjerne, " om den hjerne er en computer eller et advarselssignal som en sirene.

At udvikle sensorers nervesystemer og hjerner er et job for anvendt videnskab. Fundamental forskning som arbejdet på Videnskabskontorets laboratorier danner grundlaget for den anvendte videnskab. I særdeleshed, denne forskning udvider videnskabsmænds forståelse af selve materialerne og hvordan man fremstiller dem.

Tre typer banebrydende materialer tilbyder et enormt potentiale for brug i sensorer:nanopartikler, todimensionelle (2-D) materialer, og metal-organiske rammer (MOF'er). Nanopartikler er små partikler, der er større end atomer, men virker fundamentalt anderledes end større partikler af samme stof. 2D materialer, som grafen, danner ark kun et enkelt atom tykt. MOF'er er forbindelser lavet af metalioner forbundet med kulstofbaserede konnektorer.

Alle disse materialer har enorme overfladearealer sammenlignet med deres samlede størrelser. Fordi masser af gasmolekyler kan interagere med deres overflader, de kan være følsomme over for små mængder kemikalier. Ud over, videnskabsmænd kan lave alle disse materialer i en række forskellige strukturer. Denne tilpasning kunne give forskere mulighed for at skabe specialmaterialer til at opdage et bestemt kemikalie.

Zinksulfid nanopartikler

Nøglen til at bygge en bedre sensor kan ligge i at lave dens sansemateriale af nanopartikler. Desværre, det er udfordrende at fremstille nogle af de mest lovende af disse nanopartikler. Sensorer til brint og andre gasser bruger allerede materialet zinksulfid. At producere zinksulfid i nanopartikelform kan gøre det billigere og mere effektivt. Men den nuværende proces til fremstilling af zinksulfidnanopartikler involverer meget høje temperaturer, pres, og giftige kemikalier.

Forskere ved DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) undersøgte en billigere, mere effektiv nanopartikelproduktionsproces. Forskere støttet af både DOE's Advanced Manufacturing Office og Office of Science fandt ud af, at mikrober kan tilbyde en alternativ vej frem.

Ikke en hvilken som helst bakterie duer. Forskere brugte Thermoanaerobacter, en bakterie, der normalt lever på ekstremt varme steder uden ilt. Efter at have tilføjet et billigt sukker og kemikalier, der inkluderede zink og svovl, bakterierne producerede omkring tre fjerdedele af et pund zinksulfid-nanopartikler. Processen var 90 procent billigere end de nuværende metoder.

Dyrkning af 2D-materialer

Todimensionelle materialer er en særlig form for nanomateriale, der kun er få atomer tyk. De har så meget overfladeareal i forhold til deres volumen, at de giver meget plads til, at gasmolekyler kan interagere og er i stand til at holde et stort antal af dem. Men 2-D-materialer opfører sig så anderledes end deres normale "bulk"-modstykker, at forskerne ikke har et godt greb om, hvordan de vokser. Uden denne forståelse, producenter kan ikke konsekvent producere højkvalitetsversioner af dem.

For at løse dette problem, ORNL-forskere udforskede en bedre måde at dyrke 2-D-materiale galliumselenid (GaSe). Da de dyrkede materialet i en beholder fyldt med argongas, de fandt ud af, at ved at ændre gassens temperatur og flow, de kunne skifte frem og tilbage mellem at nedlægge og fjerne atomer. Men bare det at opdage, hvordan man skifter frem og tilbage mellem de to stater, fortalte dem ikke, hvad der faktisk skete på det kemiske plan.

"For at visualisere, hvad vi lavede i laboratoriet, vi havde brug for høj opløsning, state-of-the-art faciliteter samt in-situ diagnoseværktøjer, " sagde Tolga Aytug, en ORNL-forsker. For at opnå det niveau af præcision, holdet henvendte sig til Center for Nanophase Materials Sciences, en Office of Science brugerfacilitet på ORNL. Værktøjerne der hjalp dem med at se, hvordan de processer, de brugte til at dyrke materialet, påvirkede dets struktur og egenskaber. Baseret på disse oplysninger, de raffinerede deres metoder for at få de egenskaber, de ønskede.

I fremtiden, forskere kan være i stand til at kombinere forskellige 2-D materialer til tynde, alsidige sensorer. "Det smukke ved 2D-materialer er, at du kan stable de forskellige lag sammen for at lave noget kunstigt materiale, " sagde Kai Xiao, en ORNL-forsker. Disse kunstige materialer ville være i stand til at detektere en række forskellige kemikalier i stedet for blot en enkelt.

Metal-organiske rammer

Metalionerne og kulstofbaserede konnektorer af MOF'er danner åbne, burlignende strukturer. En MOF kun et par inches bred har et fantastisk 2,5 acres overfladeareal. Det giver masser af plads til molekyler at interagere med.

Som resultat, MOF'er kan mærke små niveauer af kemikalier. Forskere kontrollerer, hvilke kemikalier de vil have en MOF til at opdage ved at ændre størrelsen af ​​dens rum, dens form, eller hvordan dens dele linker til hinanden.

"For at en MOF-baseret sensor skal fungere, det skal være meget selektivt og meget følsomt, " sagde Praveen Thallapally, en videnskabsmand ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

En fordel, der er specifik for MOF'er, er deres evne til at rumme nye molekyler ved at ændre deres strukturer. PNNL-forskere fandt, at en MOF med en zinkbase kunne fange kobolt og kobber. Da disse metaller forlod molekylet, MOF vendte tilbage til sin oprindelige struktur. Det betyder, at efter at et kemikalie er hæftet til en MOF og udløser en sensor, nogen kunne nulstille og genbruge sensoren uden at skulle udskifte MOF'en.

Meget af den igangværende forskning i MOF'er fokuserer på, hvordan man opdager og bygger dem. MOFs traditionelle udgangsmaterialer er stive og svære at arbejde med. I modsætning, polymerer (fleksible kæder af molekyler) er nemmere at kontrollere. Imidlertid, de sætter sig normalt sammen i tæt, uorganiserede klumper. For at trække på fordelene ved hver, forskere fra University of California, San Diego fandt en måde at bruge polymerer til at bygge MOF'er. Brug af begge giver forskerne mulighed for at kombinere MOF'ers konsistens og store overfladeareal med polymerers brugervenlighed. Forskerne brugte hybridmaterialerne til at skabe tynde film, som typisk bruges i sensorer.

Det næste gennembrud inden for MOF-forskning kan komme fra computermodellering. At bruge trial and error til at finde ud af, hvilken struktur der vil interagere bedst med et bestemt kemikalie, kan tage år og være meget dyrt. I modsætning, kraftfulde computermodeller, der bruger maskinlæring, gør det muligt for videnskabsmænd at finde det helt rigtige materiale på få dage.

PNNL-forskere, der søgte efter en MOF, der kunne vælge mellem xenon og krypton, samarbejdede med National Energy Research Scientific Computing Center, en Office of Science-brugerfacilitet ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory. Efter at have søgt gennem mere end 120, 000 muligheder, deres computermodel pegede på et calciumbaseret materiale, der udmærkede sig til denne opgave.

Tilslutning af næsen til kroppen

Et godt sansemateriale er vigtigt, men det virker ikke af sig selv. Ligesom en næse har brug for en krop og hjerne, følematerialer skal være en del af en større mekanisme. Desværre, at få disse materialer til at fungere sammen i en sensor er ofte en udfordring.

Udskrivning af nanopartikelblæk

"Blæk" lavet af følende nanopartikler trykt på papir, plast, gummi, eller stof kunne give ingeniører mulighed for at skabe mindre og mere fleksible sensorer.

"At lave partikler er én ting. Men ud fra de partikler, at lave en funktionel blæk er ikke trivielt, " sagde ORNL videnskabsmand Pooran Joshi, med en lille underdrivelse.

En ORNL-undersøgelse tog fat på den bedste måde at omdanne kobberbaserede nanopartikler til blæk af høj kvalitet. Ved at skinne et højintensitetslys i kun et par milliontedele af et sekund, videnskabsmænd smeltede nanopartiklerne sammen uden at smelte overfladen nedenunder. Da det kobberbaserede nanopartikelblæk smeltede sammen, det skabte en trykt overflade. Forskere brugte derefter den trykte overflade som en komponent i en temperatursensor.

Kombinerer nanorør og nanokrystaller

Forskere ved, at sensorer lavet af nanorør og nanokrystaller kunne detektere så lidt som en del per million af en gas – hvis bare de kan få disse to materialer til at arbejde sammen.

Ralu Divan og hendes team hos ANL opdagede en måde at tilføje nanokrystaller af zinkoxid – som allerede bruges i sensorer – til kulstofnanorør. Sensorer, der bruger de to sammen, kan være langt mere følsomme over for metan end den nuværende teknologi. Ved at placere zinkoxidnanokrystallerne ned atom for atom, de skabte en tynd, konsekvent lag oven på nanorørene. Med denne proces, virksomheder kan præcist kontrollere zinkoxidens tykkelse og dækning.

For at undersøge bindingerne mellem nanokrystaller og nanorør, holdet stolede på Center for Nanoscale Materials, en Office of Science brugerfacilitet hos ANL. "At have alt på ét sted har sparet en masse tid, og vi var i stand til at bevæge os hurtigere, end vi havde forventet, " sagde Divan.

Som resultat, de udviklede en sensor, der kunne registrere meget lavere koncentrationer af metan end tidligere. Operatører kan bruge det igen på få sekunder i stedet for minutter eller timer.

Denne sensor forbedrede så meget i forhold til den eksisterende teknologi, at i 2016, R&D 100 Magazine anerkendte det som en R&D 100-finalist. Forskerholdet arbejder nu med Array of Things-projektet, et samarbejde mellem University of Chicago og ANL. Som en del af bestræbelserne på at indsamle realtidsdata fra hundredvis af sensorer i hele Chicago, Array of Things-teamet forventer at bruge disse metansensorer i fremtiden.

Projekter som Array of Things har potentialet til at omdanne byer til netværk af sensorer, placere digitale øjne og næser i hele det byggede landskab. Men disse netværk og teknologier ville ikke være mulige uden et solidt videnskabeligt grundlag. Intet kan matche den menneskelige næses alsidighed, men forskning, som Office of Science støtter, hjælper med at udfylde hullerne i vores biologiske evner.