Ingenieurs van Tufts University hebben een nieuwe fabricagemethode ontwikkeld om geverfde draden te maken die van kleur veranderen wanneer ze verschillende gassen detecteren. De onderzoekers toonden aan dat de draden visueel kunnen worden gelezen, of nog preciezer door het gebruik van een smartphonecamera, om kleurveranderingen te detecteren als gevolg van analyten zo laag als 50 delen per miljoen. Geweven in kleding, slim, gasdetecterende draden kunnen een herbruikbare, wasbaar, en betaalbaar veiligheidsmiddel in medische, werkplek, militaire en reddingsomgevingen, ze zeggen. De studie, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , beschrijft de fabricagemethode en het vermogen ervan uit te breiden tot een breed scala aan kleurstoffen en detectie van complexe gasmengsels.

Hoewel het niet de precisie vervangt van elektronische apparaten die gewoonlijk worden gebruikt om vluchtige gassen te detecteren, integratie van gasdetectie in textiel maakt een uitlezing zonder apparatuur mogelijk, zonder de noodzaak van een gespecialiseerde opleiding, zeggen de onderzoekers. Een dergelijke benadering zou de technologie toegankelijk kunnen maken voor een algemeen personeelsbestand, of aan gemeenschappen met weinig hulpbronnen die kunnen profiteren van de informatie die het textiel biedt.

De studie gebruikte een op mangaan gebaseerde kleurstof, MnTPP, methylrood, en broomthymolblauw om het concept te bewijzen. MnTPP en broomthymolblauw kunnen ammoniak detecteren, terwijl methylrood waterstofchloride kan detecteren - gassen die gewoonlijk vrijkomen uit schoonmaakmiddelen, kunstmest en chemische en materialen productie. Een proces in drie stappen "vangt" de kleurstof in de draad. De draad wordt eerst in de verf gedompeld, vervolgens behandeld met azijnzuur, waardoor het oppervlak grover wordt en de vezel opzwelt, mogelijk meer bindende interacties tussen de kleurstof en het loopvlak mogelijk maken. Eindelijk, de draad is behandeld met polydimethylsiloxaan (PDMS), waardoor een flexibele, fysieke afdichting rond de draad en kleurstof, die ook water afstoot en voorkomt dat kleurstof tijdens het wassen uitloogt. belangrijk, het PDMS is ook gasdoorlatend, waardoor de analyten de optische kleurstoffen bereiken.

"De kleurstoffen die we gebruikten werken op verschillende manieren, zodat we gassen kunnen detecteren met verschillende chemie, " zei Sameer Sonkusale, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Tufts University's School of Engineering, hoofd van het Nano Lab in Tufts en de corresponderende auteur van de studie. Het team van Sonkusale gebruikte eenvoudige kleurstoffen die gassen met zure of base-eigenschappen detecteren. "Maar aangezien we een methode gebruiken die de kleurstof effectief vasthoudt aan de draad, in plaats van zoveel te vertrouwen op bindende chemie, we hebben meer flexibiliteit om kleurstoffen met een breed scala aan functionele chemicaliën te gebruiken om verschillende soorten gassen te detecteren, " hij zei.

De geteste kleurstoffen veranderden van kleur op een manier die afhankelijk en evenredig is met de concentratie van het gas zoals gemeten met behulp van spectroscopische methoden. Tussen de precisie van een spectrometer en het menselijk oog zit de mogelijkheid om smartphones te gebruiken om de kleurveranderingen uit te lezen en te kwantificeren of om kleursignaturen te interpreteren met behulp van meerdere draden en kleurstoffen. "Dat zou ons in staat stellen om de detectie op te schalen om veel analyten tegelijk te meten, of om analyten te onderscheiden met unieke colorimetrische handtekeningen, ' zei Sonkusale.

De draden werkten zelfs onder water, het detecteren van de aanwezigheid van opgeloste ammoniak. "Terwijl het PDMS-afdichtmiddel hydrofoob is en water van de draad afhoudt, de opgeloste gassen kunnen nog steeds de kleurstof bereiken die moet worden gekwantificeerd." zei Rachel Owyeung, hoofdauteur en afgestudeerde student in de Tufts Department of Chemical and Biological Engineering. "Als sensoren voor opgelost gas, we stellen ons slimme stoffen voor die koolstofdioxide of andere vluchtige organische stoffen detecteren tijdens olie- en gasexploratie als een mogelijke toepassing."

Omdat herhaaldelijk wassen of gebruik onder water de kleurstof niet verdunt, de threads kunnen vele malen worden vertrouwd voor consistente kwantificeerbare detectie, aldus de onderzoekers.