Detektering af kemikalier, måling af stamme med blyant og papir

(Phys.org)-Nogle gange kræver løsning af et problem ikke en højteknologisk løsning. Sommetider, du skal ikke lede længere end dit skrivebord.

Tre studerende fra Northwestern University's McCormick School of Engineering - en bachelor, en kandidatstuderende, og deres undervisningsassistent - har bevist, at blyanter og almindeligt kontorpapir kan bruges til at skabe funktionelle enheder, der kan måle belastning og detektere farlige kemiske dampe.

Et papir, der beskriver deres fund, "Blyanttegnede stammålere og kemiresistorer på papir, "blev offentliggjort den 22. januar i Videnskabelige rapporter , en tidsskrift med fri adgang fra Nature Publishing Group.

Projektet opstod i efteråret 2011 i McCormicks Introduction to Conducting Polymers -kursus (MSE 337) under en diskussion om de ledende egenskaber ved grafen, et et-atom tykt lag kulstof, der kan analyseres fra almindelig blyant. (En forkert betegnelse, blyant "bly" indeholder faktisk grafit i et lerbindemiddel.)

"Når du tegner en streg på et stykke papir, grafitten kan kaste adskillige grafenplader, "sagde Jiaxing Huang, lektor i materialevidenskab og teknik, der underviste i kurset, og som var medforfatter på papiret. "En elev spurgte, 'Kan vi bruge den grafen til noget?' Det startede en undersøgelse af, hvad blyantspor kan gøre. "

Et team af studerende-herunder hovedforfattere Cheng-Wei Lin (MS materialevidenskab '13) og Zhibo Zhao (BS materialevidenskab '13)-startede med at måle ledningsevnen af ​​et blyantspor på papir, brugte derefter sporene til at oprette en rudimentær elektrode. De lærte, at krølning af papiret i en retning øgede sporets ledningsevne ved at komprimere de ledende grafenpartikler. Krølning af papiret i den anden retning løste grafenetværket og reducerede ledningsevnen.

Eleverne vendte sig derefter til sporene efter en bøjelig legetøjsblyant. (Disse blyanter er fleksible, fordi grafitten ikke blandes med ler, men med et polymerbindemiddel.) Igen, ledningsevne kan øges og reduceres ved at manipulere papiret, men eleverne fandt, at det også var påvirket af tilstedeværelsen af ​​flygtige kemiske dampe, såsom dem fra giftige industrielle opløsningsmidler.

Når kemikaliet er til stede, polymerbindemiddel absorberer dampene og ekspanderer, skubber grafenetværket fra hinanden og reducerer ledningsevnen. Ledningsevnen faldt mest i nærvær af dampe, der lettere absorberes af polymerbindemidlet.

Disse typer kemiske sensorer - også kaldet "kemiresistorer" - er nøgleelementer i "elektroniske næser" til påvisning af giftige kemiske dampe. Ved oprettelsen af ​​kemiresistorer, forskere bruger ofte dyrere materialer, såsom netværk af carbon nanorør eller metal nanopartikler, og skal sprede dem i polymermatrix for at danne et netværk.

"Nu viste vores elever, at dette kan gøres ganske enkelt med blyant og papir - og det virker, "Sagde Huang." Dette er et godt eksempel, der viser, hvordan nysgerrighed fører til innovativt arbejde. "

Andre anvendelser af blyant-og-papir-teknologien kunne være mere utraditionelle. "Det kunne hjælpe med at inspirere til en ny form for kunst, "Sagde Huang." Måske kan man lave 'smarte' og interaktive tegninger, hvor selve kunsten er kredsløbet og kan reagere på miljøet. "

Udover Lin, Zhao, og Huang, Jaemyung Kim (ph.d. -materialevidenskab '13), der fungerede som undervisningsassistent for kurset, medforfatter af papiret.