Nyt cellulosebaseret materiale repræsenterer tre sensorer i én

Cellulose gennemblødt i en omhyggeligt designet polymerblanding fungerer som en sensor til måling af tryk, temperatur og luftfugtighed på samme tid. Målingerne er fuldstændigt uafhængige af hinanden. Evnen til at måle tryk, temperatur og fugtighed er vigtig i mange applikationer, såsom overvågning af patienter derhjemme, robotik, elektronisk hud, funktionelle tekstiler, overvågning og sikkerhed, for blot at nævne nogle få.

Forskning har indtil nu integreret forskellige sensorer i det samme kredsløb, som har givet flere tekniske udfordringer, ikke mindst vedrørende brugergrænsefladen.

Forskere i laboratoriet for organisk elektronik ved Linköpings universitet under ledelse af professor Xavier Crispin har med succes kombineret alle tre målinger til en enkelt sensor.

Dette er blevet muliggjort ved udviklingen af ​​en elastisk aerogel af polymerer, der leder både ioner og elektroner, og efterfølgende udnyttelse af den termoelektriske effekt. Et termoelektrisk materiale er et materiale, hvor elektroner bevæger sig fra materialets kolde side mod den varme side, skaber en spændingsforskel.

Når nanofibre af cellulose blandes med den ledende polymer PEDOT:PSS i vand, og blandingen frysetørres i et vakuum, det resulterende materiale har den svamplignende struktur af en aerogel. Tilføjelse af et stof kendt som polysilan får svampen til at blive elastisk. Anvendelse af et elektrisk potentiale på tværs af materialet giver en lineær strømforøgelse, typisk for enhver modstand. Men når materialet er udsat for pres, dets modstand falder, og elektroner flyder lettere gennem den.

Da materialet er termoelektrisk, det er også muligt at måle temperaturændringer. Jo større temperaturforskellen mellem de varme og kolde sider, jo højere spænding. Fugtigheden påvirker, hvor hurtigt ionerne bevæger sig fra den varme side til den kolde side. Hvis luftfugtigheden er nul, der transporteres ingen ioner.

"Det nye er, at vi kan skelne mellem elektronernes termoelektriske respons (giver temperaturgradienten) og ionernes (giver luftfugtighedsniveauet) ved at følge det elektriske signal mod tid. Det er fordi de to reaktioner forekommer ved forskellige hastigheder, "siger Xavier Crispin, professor i laboratoriet for organisk elektronik og hovedforfatter af artiklen offentliggjort i Avanceret videnskab .

"Det betyder, at vi kan måle tre parametre med et materiale, uden at de forskellige målinger er koblet, " han siger.

Shaobo Han, doktorand, og universitetslektor Simone Fabiano ved Laboratory of Organic Electronics, har også fundet en måde at adskille de tre signaler på, så hver kan læses individuelt.

"Vores unikke sensor forbereder også vejen til tingenes internet, og bringer lavere kompleksitet og lavere produktionsomkostninger. Dette er en fordel i sikkerhedsbranchen. En yderligere mulig anvendelse er at placere sensorer i pakker med følsomme varer, ”siger Simone Fabiano.