Papirbaseret trådløs sensor fra CNT kan hjælpe med at opdage eksplosive enheder

(PhysOrg.com) - Forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en prototype trådløs sensor, der er i stand til at detektere spormængder af en vigtig ingrediens, der findes i mange sprængstoffer.

Enheden, som anvender carbon nanorør og er trykt på papir eller papirlignende materiale ved hjælp af standard inkjet-teknologi, kunne indsættes i stort antal for at advare myndighederne om tilstedeværelse af sprængstof, f.eks. improviserede eksplosive anordninger (IED'er).

"Denne prototype repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at producere et integreret trådløst system til detektion af sprængstoffer, ”Sagde Krishna Naishadham, en hovedforsker, der leder arbejdet ved Georgia Tech Research Institute (GTRI). ”Den indeholder en sensor og en kommunikationsenhed i en lille, lavprispakke, der kunne fungere næsten overalt. ”

Andre former for farlige gassensorer er baseret på dyr halvlederfabrikation og gaskromatografi, Naishadham sagde:og de bruger mere strøm, kræver menneskelig indgriben, og fungerer typisk ikke ved omgivelsestemperaturer. Desuden, disse sensorer er ikke blevet integreret med kommunikationsenheder såsom antenner.

Den trådløse komponent til kommunikation af sensorinformationen - en resonant letvægtsantenne - blev trykt på fotografisk papir ved hjælp af inkjet -teknikker udtænkt af professor Manos Tentzeris fra Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. Tentzeris samarbejder med Naishadham om udvikling af sanseapparatet.

Følende komponent, baseret på funktionaliserede carbon nanorør (CNT'er), er fremstillet og testet for detekteringsfølsomhed af Xiaojuan (Judy) Song, en GTRI forsker. Enheden er afhængig af carbon-nanorør materialer optimeret af Song.

En præsentation om denne sensorteknologi blev givet i juli på IEEE Antennas and Propagation Symposium (IEEE APS) i Spokane, Vask., af Hoseon Lee, en ph.d. studerende på School of Electrical and Computer Engineering co-advised af Tentzeris og Naishadham. Avisen modtog den hæderlige omtale i konkurrencen Best Student Paper på symposiet.

Dette er ikke den første inkjet-printede ammoniak sensor, der er blevet integreret med en antenne på papir, sagde Tentzeris. Hans gruppe producerede en lignende integreret sensor sidste år i samarbejde med forskningsgruppen for C.P. Wong, som er professor i Regents og Smithgall Institute Udrustet formand på School of Materials Science and Engineering ved Georgia Tech.

"Den grundlæggende forskel er, at denne nyeste CNT -sensor har en dramatisk forbedret følsomhed over for minimale ammoniakkoncentrationer, ”Sagde Tentzeris. "Det skulle gøre det muligt for de første praktiske applikationer at registrere spormængder af farlige gasser i udfordrende driftsmiljøer ved hjælp af inkjet-printede enheder."

Tentzeris forklarede, at nøglen til udskrivning af komponenter, kredsløb og antenner ligger i nye "blæk", der indeholder nanopartikler i sølv i en emulsion, der kan aflejres af printeren ved lave temperaturer - omkring 100 grader Celsius. En proces kaldet sonikering hjælper med at opnå optimal blækviskositet og homogenitet, muliggør ensartet materialeaflejring og tillader maksimal driftseffektivitet for papirbaserede komponenter.

"Blækstråleudskrivning er billig og praktisk i forhold til andre teknologier såsom våd ætsning, ”Sagde Tentzeris. "Ved hjælp af de korrekte blæk, en printer kan bruges næsten overalt til at producere brugerdefinerede kredsløb og komponenter, at erstatte traditionelle rentrumsmetoder. ”

Lavprismaterialer-såsom tungt fotografisk papir eller plastik som polyethylenterephthalat-kan gøres vandtætte for at sikre større pålidelighed, han tilføjede. Inkjet -komponentudskrivning kan også bruge fleksible organiske materialer, såsom flydende krystalpolymer (LCP), som er kendt for deres robusthed og vejrbestandighed. De resulterende komponenter svarer i størrelse til konventionelle komponenter, men kan tilpasses og klæbe til næsten enhver overflade.

Naishadham forklarede, at de samme inkjet -teknikker, der blev brugt til at producere RF -komponenter, kredsløb og antenner kan også bruges til at deponere de funktionaliserede carbon nanorør, der bruges til registrering. Disse cylindriske nanoskala-strukturer-cirka en milliarddel af en meter i diameter, eller 1/50, 000th på bredden af ​​et menneskehår - funktionaliseres ved at belægge dem med en ledende polymer, der tiltrækker ammoniak, en vigtig ingrediens, der findes i mange IED'er.

Sonikering af de funktionaliserede carbon nanorør producerer et ensartet vandbaseret blæk, der kan udskrives side om side med RF-komponenter og antenner for at producere en kompakt trådløs sensorknude.

"De optimerede carbon -nanorør påføres som en følelsesfilm, med specifik funktionalisering designet til en bestemt gas eller analyt, ”Sagde sangen. “GTRI -sensoren registrerer spor af ammoniak, der normalt findes i nærheden af ​​eksplosive enheder, og det kan også være designet til at detektere lignende gasser i husholdninger, sundhedsydelser og industrielle miljøer ved meget lave koncentrationsniveauer. ”

Sensoren er designet til at detektere ammoniak i spormængder - så lavt som fem dele pr. Million, Sagde Naishadham.

Den resulterende integrerede sensorpakke kan potentielt registrere tilstedeværelsen af ​​sporeksplosive materialer på afstand, uden at bringe menneskeliv i fare. Denne tilgang, kaldes standoff -detektion, indebærer brug af RF -teknologi til at identificere eksplosive materialer på en relativt sikker afstand. GTRI -teamet har designet enheden til at sende en advarsel til personale i nærheden, når den registrerer ammoniak.

De trådløse sensorknudepunkter kræver relativt lav strøm, som kan komme fra en række teknologier, herunder tyndfilmbatterier, solceller eller teknikker til energioptagelse og energiindsamling. I samarbejde med Tentzeris og Wongs grupper, GTRI undersøger måder at få sensoren til at fungere passivt, uden strømforbrug.

"Vi fokuserer på at tilbyde standoff -opdagelse for dem, der er involveret i militære eller humanitære missioner og andre farlige situationer, ”Sagde Naishadham. ”Vi tror på, at det vil være muligt, og omkostningseffektiv, at indsætte et stort antal af disse detektorer på køretøjer eller robotter i en militær engagementzone. ”