Российские учёные представили новый метод создания высокоточных миниатюрных детекторов, которые могут «учуять» молекулы различных газов — от паров ацетона до токсичных соединений. В основе технологии — слой наноразмерных шариков, где как на губке, конденсируются молекулы газа, а изменения фиксирует фотонная интегральная схема. Такие детекторы многофункциональны, они способны быстро выявлять утечки на производстве, следить за чистотой воздуха в городах и даже помогать в диагностике диабета.
Коммерческие детекторы применяются для обнаружения и контроля уровня веществ в различных средах, однако многие современные устройства либо слишком громоздкие, либо неточные из-за колебаний температуры и влажности, либо используют электрический ток, который потенциально может привести к возникновению искры и взрыву. На производствах, например, требуются надёжные системы обнаружения утечек опасных газов, а в медицине — портативные устройства для экспресс-анализа глюкозы в выдыхаемом воздухе у пациентов, больных сахарным диабетом.
Высокоточный компактный газовый детектор предложила команда исследователей НИТУ МИСИС, Сколтеха, МПГУ, НИУ ВШЭ, ФГБУ «НМИЦ АГП им. В. И. Кулакова» и Саратовского государственного университета. Эксперты предложили наносить на фотонную интегральную схему слой наноразмерных шариков из оксида кремния, который напоминает пористую «губку». При попадании молекул между шариками происходит капилярная конденсация газа, оптический путь света меняется и легко фиксируются на выходе.
«Представьте, что вы наносите идеально ровный слой песка на липкую ленту, чтобы она меняла цвет при контакте с нужным веществом. Мы сделали то же самое, но в наномасштабе и для высокоточных измерений», — поделился лаборант-исследователь лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Алексей Кузин.
Инженер лаборатории фотонных газовых сенсоров Ирина Флоря продолжила: «Когда молекулы газа попадают в пористую структуру слоя наноразмерных шариков на нитрид кремниевом оптическом чипе и конденсируются там, это вызывает сдвиги в резонансных частотах изготовленных нами устройств, которые мы успешно считываем с помощью лазерного света, распространяющегося по волноводам».
Главная задача, чтобы не снижалась точность детектора — равномерное нанесение слоя, без уплотнений и пустот. Для этого учёные применили микрофлюидную технологию — систему миниатюрных каналов, по которым циркулируют жидкости. Метод позволил получить один из лучших результатов среди газовых детекторов — плотность покрытия слоя кремниевых шариков составила 59%. Новые датчики обладают высокой чувствительностью, сопротивлением к воздействию внешних факторов и при этом компактны. Подробности исследования опубликованы в журнале Nanoscale (Q1).
«Мы стремились не просто к высокой точности, а к технологичности: чтобы такие сенсоры можно было массово производить и применять. Надеюсь, что в ближайшем будущем сможем довести нашу разработку от экспериментального образца до полноценного изделия», — подытожил к.ф.-м.н. Вадим Ковалюк, заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.
В перспективе детекторы можно будет применять в медицине для быстрого и неинвазивного анализа дыхания, в том числе на ацетон — маркер диабета — или этанол. На промышленных объектах — для выявления утечек, а также в городской среде для мониторинга загрязнений.
