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    化學傳感材料結合NFC技術 讓有毒氣體監測更便捷

    2021-03-10
    閱讀: 494
    發布者: 無錫邁德爾智能傳感技術有限公司

    研究簡介

    最近,科學家們開了一種化學傳感材料,當暴露于有毒氣體中時,其電導率會動態增加。另外,研究小組將傳感器材料集成進近場通訊 (NFC)標簽的電子電路中,類似嵌入智能卡中。通過此項技術,智能手機在5秒鐘內,就可以快速監測到低濃度有毒氣體(10 ppm)。

    有毒氣體監測的必要性和目前瓶頸

    當今社會中,有毒氣體有著各種來源,例如自然界中的火山氣體,人為事故造成的有毒氣體泄露等等。為了減少有毒氣體的危害,一般需要通過傳感器設備對其進行監測。目前,監測有毒氣體的傳感器比較昂貴,笨重,龐大,難以操作,也難以在公共區域安裝,且也不便于攜帶。所以。這意味著需要更簡單、快速檢測有毒氣體的傳感器和方法。

    監測使用的化學傳感材料

    研 究小組所開發的化學傳感器材料,主要是碳納米管(CNTs)。IntelligentThings之前也在文章中,提到過這種材料,例如在“‘水凝膠’觸 摸板誕生:未來應用前景廣闊”一文(點此閱讀)中就提及:“碳納米管作為一維納米材料,重量輕,六邊形結構連接完美,具有許多異常的力學,電學和化學性 能?!?然而,這種材料除了具有CNTs,在CNTs外部還包裹著超分子聚合物,這些單體簇通過弱相互作用結合在一起。

    該化學材料監測有毒氣體的原理

    當材料暴露于親電子的有毒氣體中,它的電導率會增加至原來的3000倍。CNTs自身就是高導電物質,但是當它們被超分子聚合物包裹時,就像絕緣體,變成不良導體。超分子聚合物的設計,讓位于分子中的弱束縛,在遇到有毒氣體時分離,從而拆分開包裹的分子。所以,原來高導電狀態的CNTs恢復功能。電導率的變化程度,和有毒氣體濃度以及接觸持續時間成正比,并且電導率很容易通過普通商用電阻表進行測量。

    傳感器的制作和NFC技術的應用

    有毒氣體傳感器,就是通過集成化學傳感材料到商用NFC標簽中而制成,然后在智能手機上讀取測量值。用戶可以通過持有NFC兼容的智能手機,與嵌入傳感器的NFC標簽通信,來判斷是否存在有毒氣體。但是,前提是確保兩個設備之間通信完好。傳感器是一次性的,1克化學感知物質可制成400萬個傳感器。所以,它具有低成本量產的可行性。

    未來展望

    在未來的研究中,研究人員計劃通過對于超分子聚合物的結構進行修改,從而開發監測各種有毒化學物質的傳感器,且靈敏度更高、更快速、更容易。

    他們也開發一種系統,可以選擇和化學傳感器應用兼容的無線通信技術類型(根據通信的距離,功耗等等),并且將化學傳感器和云技術相結合,更好的監測有毒氣體。

    研究團隊

    這個研究小組由前沿分子組,國際納米結構材料研究所(MANA),日本國立材料研究所 (NIMS)的 Shinsuke Ishihara 高級研究員,和麻省理工學院(MIT)的Timothy M. Swager教授等科學家構成。這項研究由MIT開展,日本社會科學促進會的國外研究博士后項目支持。研究發表在2016年6月23日的美國化學學會雜志上。

    研究簡介

    最近,科學家們開了一種化學傳感材料,當暴露于有毒氣體中時,其電導率會動態增加。另外,研究小組將傳感器材料集成進近場通訊 (NFC)標簽的電子電路中,類似嵌入智能卡中。通過此項技術,智能手機在5秒鐘內,就可以快速監測到低濃度有毒氣體(10 ppm)。

    有毒氣體監測的必要性和目前瓶頸

    當今社會中,有毒氣體有著各種來源,例如自然界中的火山氣體,人為事故造成的有毒氣體泄露等等。為了減少有毒氣體的危害,一般需要通過傳感器設備對其進行監測。目前,監測有毒氣體的傳感器比較昂貴,笨重,龐大,難以操作,也難以在公共區域安裝,且也不便于攜帶。所以。這意味著需要更簡單、快速檢測有毒氣體的傳感器和方法。

    監測使用的化學傳感材料

    研 究小組所開發的化學傳感器材料,主要是碳納米管(CNTs)。IntelligentThings之前也在文章中,提到過這種材料,例如在“‘水凝膠’觸 摸板誕生:未來應用前景廣闊”一文(點此閱讀)中就提及:“碳納米管作為一維納米材料,重量輕,六邊形結構連接完美,具有許多異常的力學,電學和化學性 能?!?然而,這種材料除了具有CNTs,在CNTs外部還包裹著超分子聚合物,這些單體簇通過弱相互作用結合在一起。

    該化學材料監測有毒氣體的原理

    當材料暴露于親電子的有毒氣體中,它的電導率會增加至原來的3000倍。CNTs自身就是高導電物質,但是當它們被超分子聚合物包裹時,就像絕緣體,變成不良導體。超分子聚合物的設計,讓位于分子中的弱束縛,在遇到有毒氣體時分離,從而拆分開包裹的分子。所以,原來高導電狀態的CNTs恢復功能。電導率的變化程度,和有毒氣體濃度以及接觸持續時間成正比,并且電導率很容易通過普通商用電阻表進行測量。

    傳感器的制作和NFC技術的應用

    有毒氣體傳感器,就是通過集成化學傳感材料到商用NFC標簽中而制成,然后在智能手機上讀取測量值。用戶可以通過持有NFC兼容的智能手機,與嵌入傳感器的NFC標簽通信,來判斷是否存在有毒氣體。但是,前提是確保兩個設備之間通信完好。傳感器是一次性的,1克化學感知物質可制成400萬個傳感器。所以,它具有低成本量產的可行性。

    未來展望

    在未來的研究中,研究人員計劃通過對于超分子聚合物的結構進行修改,從而開發監測各種有毒化學物質的傳感器,且靈敏度更高、更快速、更容易。

    他們也開發一種系統,可以選擇和化學傳感器應用兼容的無線通信技術類型(根據通信的距離,功耗等等),并且將化學傳感器和云技術相結合,更好的監測有毒氣體。

    研究團隊

    這個研究小組由前沿分子組,國際納米結構材料研究所(MANA),日本國立材料研究所 (NIMS)的 Shinsuke Ishihara 高級研究員,和麻省理工學院(MIT)的Timothy M. Swager教授等科學家構成。這項研究由MIT開展,日本社會科學促進會的國外研究博士后項目支持。研究發表在2016年6月23日的美國化學學會雜志上。


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