Томский политех разработал долговечные композиты для датчиков с высокой чувствительностью к температуре
Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ в сотрудничестве с коллегами из Китая разработали инновационную технологию создания материалов для гибких и долговечных функциональных датчиков на основе металлоорганических каркасов (MOF). Эта технология включает лазерную обработку каркасов, в результате чего они трансформируются в люминесцентные наноуглероды. Полученный композит продемонстрировал отличные эксплуатационные характеристики в качестве гибких электродов для датчиков температуры и изгиба, обладая высокой механической прочностью.
Создание мультифункциональных гибких датчиков, таких как датчики температуры и давления, открывает новые перспективы для их применения в самых различных сферах — от транспорта и энергетики до медицины. Однако в традиционных датчиках часто возникают трудности с регистрацией изменений, связанных с температурой, давлением или деформацией. Ученые ТПУ обнаружили, что лазерная обработка MOF — полимеров, активно исследуемых в настоящее время — может увеличить сигнал люминесценции до 70 раз. Используя люминесцентный сигнал для измерения температуры, можно надежно различать изменения температуры и деформацию сенсора.
Существуют и другие методы для увеличения люминесценции MOF, но они обычно требуют значительных временных затрат и сложных синтетических процессов. Предложенный учеными ТПУ способ изменения люминесцентных свойств материалов прост в применении и позволяет трансформировать MOF, содержащий цинк и органические лиганды, в высоколюминесцентные N-легированные наноуглероды. Исследования проводились под руководством профессора Евгении Шеремет из ТПУ и профессора Ранран Ванга из Шанхайского института керамики Китайской академии наук.
В рамках проекта ученые изучили конкретный тип MOF, называемый ZIF-8, и процессы, происходящие в результате его лазерной обработки. Металлоорганические каркасы ZIF-8 состоят из цинка и органических молекул, которые самоорганизуются в кристаллические структуры. Они обладают такими полезными свойствами, как большая площадь поверхности, контролируемая пористость и широкий спектр комбинаций ионов металлов и органических лигандов. Ученые ТПУ провели ряд экспериментов, чтобы установить влияние непрерывного лазерного излучения на свойства фотолюминесценции, нанося металлоорганические каркасы на различные подложки и подвергая их лазерному облучению с различной длительностью импульса.
В процессе исследования был обнаружен интересный эффект: при облучении ZIF-8 лазером можно получить материал с очень интенсивной люминесценцией вне зависимости от типа подложки. Впервые это было осуществлено с помощью лазера. В ходе исследования преобразования материала было установлено, что он превращается в легированный азотом наноуглерод и наноструктуры оксида цинка. Кроме того, при использовании гибкой полиуретановой пленки, напечатанной на 3D-принтере, произошла интеграция углерода в подложку, что сделало материал электропроводящим и механически прочным для гибкой электроники.
Полученный композит сочетает в себе свойства биомеханической податливости, чувствительности люминесценции к температуре и стойкости к многократным изгибам. Ученые также изучили возможность использования композита для датчиков температуры и деформации. Люминесценция оказалась чувствительной к температуре, а электрическое сопротивление — к деформации. При этом материал сохраняет стабильность в течение 10 тысяч циклов сгиба, что подтверждает долговечность электродов. Этот подход может быть использован для создания датчиков температуры и изгиба, где оба сигнала могут измеряться независимо.
Читать материалы по теме:
В ТПУ разрабатывают алгоритмы адресной доставки лекарств для лечения легочных заболеваний
Ускорит исследования в 300 раз: в ТПУ создали ПО для изучения горных пород с помощью ЦКП «Скиф»