就地制造方法提高了气体传感器的性能,缩短了生产时间

宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近改进了他们用纳米材料制造柔性气体传感器的工艺。

通过玛丽亚·卢卡斯 2023年1月26日
提供:宾夕法尼亚州立大学

纳米材料的见解

  • 有弹性、灵活的气体传感器可以通过检测呼吸或汗液中的氧气或二氧化碳水平来识别健康状况或问题。
  • 通过激光辅助制造,激光将纳米材料直接刻在多孔石墨烯基板上。这比滴式铸造更有效,后者需要单独合成传感器,然后集成。
  • 在未来,研究人员计划通过编程纳米材料复合材料来针对特定气体或识别复杂混合物中的多种气体,进一步提高传感器的能力。

当用作可穿戴医疗设备时,有弹性的柔性气体传感器可以通过检测呼吸或汗水中的氧气或二氧化碳水平来识别健康状况或问题。它们还可以通过检测气体、生物分子和化学物质来监测室内或室外环境的空气质量。但制造这种使用纳米材料制造的设备可能是一个挑战。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近通过原位激光辅助制造方法增强了他们的气体传感器制造工艺,改进了他们的技术以前的方法滴铸,或使用移液器将材料逐个滴到基材上。他们的研究结果发表在化学工程杂志

宾夕法尼亚州立工程学院工程科学与力学纪念副教授James L. Henderson, Jr.的通讯作者Huanyu“Larry”Cheng说:“使用投掷铸造,你必须分别合成传感器的每个部分,然后将它们集成,这在逻辑上具有挑战性,需要很长时间和昂贵。”“原位法可以在一个地方直接合成材料,而激光加快了这一过程。”

在这个过程中,激光将纳米材料直接刻在多孔石墨烯泡沫基板上。当应用在皮肤或物体上时,基底材料使传感器具有弹性和灵活性。

根据Cheng的说法,这种方法为使用不同的前体或纳米材料,并将它们与不同的比例和成分混合提供了机会。此前,研究人员使用氧化石墨烯和二硫化钼来制造传感器。通过这种方法,研究人员测试了另外四类材料,包括过渡金属二卤族化物、金属氧化物、贵金属掺杂金属氧化物和复合金属氧化物。

Cheng说:“一种特殊的纳米材料可以让我们感知不同的生物标记物或气体,所以对我们来说,获得不同的材料是非常重要的。”“例如,一种纳米材料通常只能检测一个目标气体分子。有了多种选择,你可能会检测到更多的分子,提高传感能力。”

研究人员使用几种纳米材料,制作了一个由几个小型传感器并排放置的阵列。程说,该阵列的功能可以与人的鼻子相比较。

“鼻子进化到用数百万个细胞来探测数百万种气味,”程说。“以同样的方式,每个传感器都能检测到不同的化学物质或粒子。”

研究人员不需要单独的热源,进一步降低了制造设备的复杂性。该设计还将气敏纳米材料集成在多孔石墨烯泡沫单线上,与旧设计相比,旧设计中纳米材料填充电极之间的间隙。多孔石墨烯泡沫单线电阻诱导焦耳热自热。

其结果是一种复杂的传感器,具有多种应用,包括监测和警告用户气体的快速上升,如在工业现场,或随着时间的推移气体的积累,如在污染的情况下。

在未来,研究人员计划通过编程纳米材料复合材料来提高传感器的能力,以针对特定的气体或识别复杂混合物中的多种气体。

-由CFE媒体和技术的内容经理大卫·米勒编辑,dmiller@cfemedia.com


作者简介:玛丽亚·卢卡斯是宾夕法尼亚州立大学工程学院新闻的撰稿人。