Слоистый материал, разработанный исследователями KAUST, может действовать как точный датчик температуры, используя тот же принцип, что и в биологических ионных каналах.Человеческие клетки обладают различными белками, которые действуют как каналы для заряженных ионов. В коже определенные ионные каналы полагаются на тепло, чтобы управлять потоком ионов, который генерирует электрические сигналы, кой мы используем, чтобы чувствовать температуру нашего окружения.
Вдохновленные этими биологическими датчиками, исследователи KAUST подготовили соединение карбида титана (Ti3C2Tx), известное как MXene, которое содержит несколько слоев толщиной всего в несколько атомов. Каждый слой покрыт отрицательно заряженными атомами, такими как кислород или фтор. Эти группы действуют как спейсеры, удерживающие соседние наночастицы друг от друга, позволяя молекулам воды проникать в межпланетные каналы. Каналы между слоями MXene уже, чем один нано-метр.
Исследователи использовали методы, такие как рентгеновская дифракция и сканирующая электронная микроскопия, чтобы исследовать их MXene, и они обнаружили, что добавление воды к материалу немного расширило каналы между слоями. Когда материал соприкасался с раствором хлористого калия, эти каналы были достаточно большими, чтобы позволить положительным ионам калия двигаться через MXene, но блокировали прохождение отрицательных хлорид-ионов.
Команда создала небольшое устройство, содержащее MXene, и выставила один его конец на солнечный свет. MXenes особенно эффективны в поглощении солнечного света и преобразовании этой энергии в тепло. Вызванное этим повышение температуры побудило молекулы воды и ионы калия течь через нано-каналы от более холодного конца к более теплой части, эффект, известный как термоосмотический поток. Это вызвало изменение напряжения, сравнимое с тем, которое наблюдается в биологических чувствительных к температуре ионных каналах. В результате прибор мог надежно воспринимать изменения температуры менее чем на один градус Цельсия.
Уменьшение солености раствора хлорида калия улучшило производительность устройства, в частности, за счет дальнейшего повышения селективности канала для ионов калия.
По мере того как исследователи увеличивали интенсивность света, падающего на материал, его температура росла с той же скоростью, что и реакция переноса ионов. Это говорит о том, что наряду с работой в качестве датчика температуры материал может также использоваться для измерения интенсивности света.
Эта работа была результатом сотрудничества между группами профессоров Khusam Alsharif's KAUST и Peng Wang. Мы предполагаем, что катионные каналы MXene имеют многообещающие перспективы для многих потенциальных применений, включая измерение температуры, фото прием или сбор фото термоэлектрической энергии, говорит Alsharif, который возглавлял эту команду.