Новый двумерный материал для «электронного носа»

Физики и химики СГТУ имени Гагарина Ю.А. совместно с коллегами из Национального исследовательского университета «МИЭТ» и Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН представили разработку в области сенсорных технологий. Ими был создан двумерный материал на основе карбида вольфрама (W1.33C i-MXene) для обнаружения и распознавания различных газов и влажности в концентрациях ниже порога восприятия человека.

Изобретение будет полезно везде, где важно быстро и надёжно определять наличие вредных или опасных веществ – в интернете вещей, системах мониторинга окружающей среды, в инфраструктурах «умного дома» и «умного города», а также в интеллектуальной электронике.

«Экспериментальная установка «электронный нос» осуществляет детектирование и распознавание газовых сред в атмосфере подобно биологическому обонянию. Рецепторную функцию выполняет материал, нанесенный на мультиэлектродный чип, путем изменения своих электрических характеристик при контакте с молекулами газа. Нам удалось доказать повышение сопротивления W1.33C i-MXene при воздействии паров разных веществ, включая кетоны, спирты, ароматические соединения и влагу. При этом точность различения достигается благодаря одновременному считыванию показаний множества датчиков и применению методов искусственного интеллекта, обрабатывающих сигналы. Этот процесс похож на то, как головной мозг млекопитающих сортирует запахи», – пояснил ведущий научный сотрудник НИЛ сенсоров и микросистем, руководитель гранта РНФ, кандидат технических наук Илья Плугин.

Сверхчувствительный материал содержит слои из атомов металла и углерода толщиной в несколько атомов. Он получен методом селективного травления из объемных кристаллов. Ключевой особенностью его является наличие в структуре пустот на атомных позициях металла – именно благодаря им материал эффективнее захватывает молекулы на своей поверхности, улучшая способность реагировать на изменение состава атмосферы.

«Упорядоченные вакансии (пустоты) в структуре i-MXene играют решающую роль, – объясняет участник исследования, доцент кафедры «Химия и химическая технология материалов» Физико-технического института СГТУ, кандидат химических наук Алексей Цыганов. – Они не только существенно увеличивают площадь активной поверхности, но и изменяют её электронные свойства, облегчая взаимодействие с молекулами анализируемых газов».

Этот подход позволяет целенаправленно настраивать свойства материала для решения конкретных задач в области сенсорики, катализа и накопления энергии – позволяет добиться высокой чувствительности без необходимости нагрева сенсорного элемента, что кардинально снижает энергопотребление устройства.

«Разработка поддержана грантом Российского научного фонда (24–79–00074) и открывает перспективы для создания нового поколения малогабаритных «умных» датчиков, которые будут потреблять минимум энергии, отличаться высокой чувствительностью и возможностью гибкой настройки под различные прикладные задачи», – отметил один из авторов разработки, доцент кафедры «Химия и химическая технология материалов» Физико-технического института СГТУ Николай Горшков.

Следует подчеркнуть, что i-MXene является новым материалом, открытым зарубежными исследователями сравнительно недавно. Именно группе учёных из СГТУ имени Гагарина Ю.А. удалось впервые в России успешно его синтезировать.