Forskere skaber brandhæmmende sensorer til sikkerhedsudstyr i barske miljøer

Forestil dig en enhed, der kunne modstå selv de mest intense brande, så den automatisk kunne signalere andre, når en brandmand er immobiliseret på jobbet.

UCLA-forskere og kolleger ved to andre universiteter har designet det første brandhæmmende middel, selvslukkende bevægelsessensor og strømgenerator. Enheden, som er på størrelse med en fjerdedel, kunne være indlejret i sko eller tøj båret af brandmænd, olieborere eller andre personer, hvis arbejde involverer ekstreme temperaturer eller barske miljøer.

Forskningen, som blev offentliggjort i tidsskriftet Nano energi , blev ledet af Richard Kaner, UCLAs Dr. Myung Ki Hong endowed Chair in Materials Innovation og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA.

Den selvdrevne sensor er en type triboelektrisk nanogenerator. Triboelektrisk opladning genererer energi fra udveksling af elektroner, når et materiale gnider op mod et andet - i dette tilfælde, selve enheden og bærerens tøj eller hud, eller enheden og jorden. Fænomenet er det samme som det, der skaber et elektrisk stød, når du rører ved en dørhåndtag efter at have gnidet dine fødder på et tæppe.

Enheden, som forskerne kaldte FRTENG (for "brandhæmmende triboelektrisk nanogenerator"), kan registrere, når bærere er i fare eller handicappede, fordi det kan mærke forskellen mellem at gå, løb, hop og stilhed.

"Forskellige bevægelser skaber elektriske signaler med forskellige spændinger og strømme, " sagde Maher El-Kady, en assisterende forsker ved UCLA og medforfatter til undersøgelsen. "Disse forskellige strømme giver os mulighed for at identificere, om og hvordan nogen bevæger sig - så enheden kan integreres i en brandmands sko, for eksempel, og send et hjælpesignal trådløst i tilfælde af en nødsituation."

Triboelektriske nanogeratorer findes allerede, men fordi de bruger materialer som brændbar plast og tekstiler, nuværende modeller kan ikke modstå brand eller ekstreme temperaturer, sagde Kaner, som også er en fremtrædende professor i kemi og biokemi, og materialevidenskab og teknik.

For at overvinde den forhindring, den nye enhed er lavet af en carbon aerogel, som forskerne opfandt. Aerogelen er både ekstremt let - 95 procent af dens volumen er luft - og stabil ved høje temperaturer, hvilket gør den ideel til brug i en brandhæmmende enhed.

"Carbonaerogelen leder elektricitet effektivt og indeholder materialer, der er miljøvenlige, " sagde El-Kady. "Fordi aerogelen er så let, bæreren ville ikke engang mærke enheden."

For at danne aerogelen, forskerne blandede to kemikalier, formaldehyd og resorcinol, med polyacrylonitrilfibre og grafenoxidplader, der kun var nanometer tykke - en nanometer svarer til en milliarddel af en meter, eller omkring 1/75, 000. bredden af ​​et menneskehår - for at skabe en gel. Nanofibrene og nanoarkene giver støtte til det ultralette materiale.

De tørrede derefter gelen for at fjerne væskeindholdet, og opvarmede det i et lille kammer fyldt med brint, efterlader en holdbar men let carbon aerogel nanokomposit.

"Ved brug af triboelektrisk opladning, carbon aerogelen fungerer som en bevægelsessensor og en strømgenerator, " sagde Abdelsalam Ahmed, undersøgelsens første forfatter, en gæsteforsker ved McMaster University. "I modsætning til traditionelle sensorer, der er afhængige af batterier for deres strøm, den nye enhed kan fungere på ubestemt tid uden behov for nogen strømkilder."

For at teste enhedens brandmodstand, videnskabsmændene udsatte den for en butanflamme i 90 sekunder. De fandt ud af, at det ikke kun ikke spredte ilden, men at den var selvslukkende. Og, selv ved 200 grader Celsius, enhedens struktur blev bevaret, og dens elektriske output forblev stabil. Ved den temperatur, de fleste konventionelle triboelektriske enheder mister ydeevne eller brænder endda, sagde Kaner.

El-Kady sagde, at den nye enhed også kunne være nyttig på rummissioner - til at spore astronauters vitale tegn eller til at generere nødstrøm, for eksempel. Ekstreme temperaturer forhindrer ofte brugen af ​​andre elektroniske enheder under rumflyvning.