Zespół badaczy z Korea Institute of Materials Science (KIMS), pod kierownictwem dr Jongwona Yoona, dr Jeongdae Kwona oraz dr Yonghoona Kima opracował pierwszy na świecie elastyczny i ultraczuły czujnik amoniaku oparty na cienkiej warstwie bromku miedzi (CuBr), możliwej do uzyskania w procesie wytwarzania prowadzonym w niskiej temperaturze. Jak podkreślają autorzy, urządzenie łączy w sobie trzy kluczowe cechy: wysoką elastyczność, ekstremalną czułość i selektywność, a przy tym jest tanie w produkcji.
Czytaj też: MIT pokazuje nowy kierunek w chemii. Ten wynalazek może wszystko zmienić
Dr Jongwon Yoon mówi:
Czujnik amoniaku opracowany w ramach tego badania ma ogromny potencjał do zastosowania w elastycznych i noszonych urządzeniach. Może być wykorzystywany w szerokim zakresie, od monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach po indywidualne zarządzanie zdrowiem.
Czujnik amoniaku, jakiego jeszcze nie było – elastyczny i ultraczuły
Jednym z największych ograniczeń konwencjonalnych metod produkcji czujników gazu był konieczny proces wysokotemperaturowy, prowadzony w próżni, w temperaturach przekraczających 500oC. Tego rodzaju technologia nie nadawała się do stosowania na elastycznych podłożach, które są podatne na uszkodzenia termiczne, i generowała wysokie koszty.
Czytaj też: Przełomowy wynalazek z Niemiec, zmieni sposób w jaki projektujemy domy
Naukowcy z KIMS opracowali jednak nową metodę. Najpierw uzyskali dwuwymiarowe nanowarstwy miedzi na podłożu w temperaturze poniżej 150oC i bez użycia próżni, a następnie przekształcili je w bromek miedzi za pomocą prostego procesu chemicznego w roztworze. Dzięki temu udało się osadzić warstwę czynną czujnika na elastycznym plastiku, bez szkody dla właściwości sensorycznych.
W badaniach laboratoryjnych, opisanych w czasopiśmie Sensors and Actuators B: Chemical, opracowany czujnik wykazał zdolność wykrywania stężeń amoniaku już na poziomie jednej części na milion (1 ppm), co czyni go jednym z najczulszych urządzeń tego typu na świecie. Jego działanie opiera się na detekcji zmian rezystancji elektrycznej warstwy CuBr w kontakcie z cząsteczkami amoniaku – gazu istotnego nie tylko ze względu na toksyczność, ale też jako biomarker niektórych chorób.
Co równie ważne, urządzenie zachowuje swoje właściwości nawet po ekstremalnych testach wytrzymałościowych. W eksperymentach laboratoryjnych sensor został poddany ponad tysiącu cyklów zginania i nadal działał z pełną wydajnością.
Zastosowania nowego typu czujnika mogą być szerokie. W przemyśle chemicznym i rolnictwie, gdzie amoniak jest powszechnie stosowany, nowe sensory mogą stanowić element systemów wczesnego ostrzegania przed wyciekami. W miastach i domach czujniki mogą monitorować jakość powietrza w czasie rzeczywistym, ostrzegając przed zanieczyszczeniem lub obecnością szkodliwych substancji. Jednak największy potencjał może tkwić w diagnostyce medycznej.
Dr Jongwon Yoon zaznacza:
W szczególności spodziewamy się, że czujnik ten mógłby zostać zastosowany jako narzędzie diagnostyczne poprzez przymocowanie go do ciała człowieka i analizę wydychanego powietrza.
Obecność amoniaku w oddechu jest m.in. biomarkerem schorzeń wątroby, nerek czy niektórych infekcji bakteryjnych. Dzięki możliwości integracji z urządzeniami noszonymi, takimi jak opaski czy plastry, nowy czujnik mógłby umożliwić nieinwazyjne monitorowanie zdrowia w czasie rzeczywistym.
Opracowanie czujnika na bazie bromku miedzi w niskotemperaturowym procesie chemicznym wpisuje się w szerszy trend rozwoju elektroniki elastycznej i ubieralnej. Dzięki możliwości produkcji na tanich, lekkich i odpornych na zginanie materiałach, takich jak polimery, czujniki tego typu mogą trafić do inteligentnej odzieży, opasek fitness, plastrów diagnostycznych i wielu innych form współczesnych urządzeń ubieralnych.