De menselijke neus kan onderscheid maken tussen een biljoen verschillende combinaties van geuren. Toch, er zijn tal van gassen die onze neuzen niet kunnen detecteren op het niveau van gevoeligheid dat we nodig hebben. Dat is waar gasvormige sensoren om de hoek komen kijken. Terwijl sommige van de eerste sensoren dieren waren – zoals kanaries in kolenmijnen – hebben we ze sindsdien vervangen door technologieën die minuscule hoeveelheden chemicaliën in de lucht kunnen detecteren.

Net als onze eigen neuzen, gasvormige sensoren zijn essentieel voor veiligheid en comfort. In fabrieken, gasvormige sensoren kunnen managers waarschuwen voor chemische lekken of processen die niet correct verlopen. Buiten, ze meten verontreinigende stoffen, steden helpen de luchtkwaliteit te monitoren. In huizen, ze houden gezinsleden veilig. Gebouwbeheerders gebruiken metingen van vochtigheids- en temperatuursensoren om de energie-efficiëntie te maximaliseren.

Deze sensoren zouden niet bestaan ​​zonder een fundamenteel begrip van scheikunde en natuurkunde. Deze basiskennis helpt wetenschappers te begrijpen hoe en waarom detectiematerialen interageren met gasvormige chemicaliën. Veel geavanceerde materialen zijn veelbelovend voor gebruik in sensoren, als wetenschappers maar kunnen leren hoe ze ze beter kunnen produceren en beheersen.

"Sensoren zijn waar materiaalonderzoek en omgevingsdetectie elkaar ontmoeten, " zei Piet Beckman, een onderzoeker bij het Argonne National Laboratory (ANL) van het Department of Energy.

Om de basis te leggen voor innovatie, het DOE Office of Science financiert projecten en gebruikersfaciliteiten die sensoronderzoek ondersteunen.

De materialen voor detectie maken

zoals neuzen, sensoren vertrouwen op een combinatie van componenten om gassen of chemicaliën in de lucht te detecteren en te begrijpen. In mensen, moleculen drijven omhoog in je neus en binden zich aan speciale neuronen. Neuronen geven de boodschap vervolgens door aan de hersenen. Bij sensoren, het materiaal in de sensor werkt als een neuron. Wanneer dat materiaal interageert met een chemische stof in de lucht, het kan licht uitstralen, het vermogen om elektriciteit te geleiden te veranderen, of van vorm veranderen. De materialen en elektronica rond het sensormateriaal geven die boodschap door aan de "hersenen, Of dat brein nu een computer is of een waarschuwingssignaal als een sirene.

Het ontwikkelen van het zenuwstelsel en de hersenen van sensoren is een vak voor de toegepaste wetenschap. Fundamenteel onderzoek zoals het werk in de laboratoria van het Office of Science legt de basis voor die toegepaste wetenschap. Vooral, dit onderzoek vergroot het inzicht van wetenschappers in de materialen zelf en hoe ze te produceren.

Drie soorten geavanceerde materialen bieden een enorm potentieel voor gebruik in sensoren:nanodeeltjes, tweedimensionale (2-D) materialen, en metaal-organische raamwerken (MOF's). Nanodeeltjes zijn minuscule deeltjes die groter zijn dan atomen, maar handelen fundamenteel anders dan grotere deeltjes van dezelfde stof. 2D materialen, zoals grafeen, vormen vellen van slechts één atoom dik. MOF's zijn verbindingen gemaakt van metaalionen die met elkaar zijn verbonden door op koolstof gebaseerde connectoren.

Al deze materialen hebben gigantische oppervlakten in vergelijking met hun totale afmetingen. Omdat veel gasmoleculen kunnen interageren met hun oppervlakken, ze kunnen gevoelig zijn voor kleine hoeveelheden chemicaliën. In aanvulling, wetenschappers kunnen al deze materialen tot verschillende structuren maken. Die aanpassing zou onderzoekers in staat kunnen stellen speciale materialen te maken om een ​​bepaalde chemische stof te detecteren.

Zinksulfide nanodeeltjes

De sleutel tot het bouwen van een betere sensor kan liggen in het maken van het detectiemateriaal uit nanodeeltjes. Helaas, het is een uitdaging om enkele van de meest veelbelovende van die nanodeeltjes te produceren. Sensoren voor waterstof en andere gassen maken al gebruik van het materiaal zinksulfide. De productie van zinksulfide in de vorm van nanodeeltjes zou het goedkoper en effectiever kunnen maken. Maar het huidige proces voor het produceren van zinksulfide-nanodeeltjes omvat zeer hoge temperaturen, druk, en giftige chemicaliën.

Wetenschappers van DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) onderzochten een goedkoper, efficiënter productieproces van nanodeeltjes. Onderzoekers ondersteund door zowel DOE's Advanced Manufacturing Office als Office of Science ontdekten dat microben een alternatief pad voorwaarts kunnen bieden.

Niet zomaar een bacterie zal het doen. Wetenschappers gebruikten Thermoanaerobacter, een bacterie die normaal gesproken op extreem hete plaatsen zonder zuurstof leeft. Na het toevoegen van een goedkope suiker en chemicaliën die zink en zwavel bevatten, de bacteriën produceerden ongeveer driekwart pond zinksulfide-nanodeeltjes. Het proces was 90 procent goedkoper dan de huidige methoden.

2D-materialen kweken

Tweedimensionale materialen zijn een bijzondere vorm van nanomateriaal van slechts enkele atomen dik. Ze hebben zoveel oppervlakte in vergelijking met hun volume dat ze veel ruimte bieden voor gasmoleculen om te interageren en een groot aantal van hen kunnen vasthouden. Maar 2D-materialen gedragen zich zo anders dan hun normale 'bulk'-tegenhangers dat wetenschappers geen goed idee hebben van hoe ze groeien. Zonder dit begrip, fabrikanten kunnen er niet consequent hoogwaardige versies van produceren.

Om dit probleem aan te pakken, Wetenschappers van ORNL hebben een betere manier onderzocht om 2D-materiaal galliumselenide (GaSe) te kweken. Terwijl ze het materiaal groeiden in een container gevuld met argongas, ze ontdekten dat door de temperatuur en de stroom van het gas te veranderen, ze konden heen en weer schakelen tussen neerleggen en atomen weghalen. Maar alleen al het ontdekken hoe ze heen en weer tussen de twee toestanden konden wisselen, vertelde hen niet wat er feitelijk op chemisch niveau gebeurde.

"Om te visualiseren wat we aan het doen waren in het lab, we hadden hoge resolutie nodig, state-of-the-art faciliteiten en in-situ diagnose-instrumenten, " zei Tolga Aytug, een ORNL-wetenschapper. Om dat niveau van precisie te krijgen, het team wendde zich tot het Center for Nanophase Materials Sciences, een Office of Science gebruikersfaciliteit bij ORNL. De gereedschappen daar hielpen hen te zien hoe de processen die ze gebruikten om het materiaal te laten groeien, de structuur en eigenschappen ervan beïnvloedden. Op basis van die informatie, ze verfijnden hun methoden om de kenmerken te krijgen die ze wilden.

In de toekomst, wetenschappers kunnen mogelijk verschillende 2D-materialen combineren tot dunne, veelzijdige sensoren. "Het mooie van 2D-materialen is dat je de verschillende lagen op elkaar kunt stapelen om wat kunstmatig materiaal te maken, " zei Kai Xiao, een ORNL-wetenschapper. Deze kunstmatige materialen zouden een verscheidenheid aan verschillende chemicaliën kunnen detecteren in plaats van slechts één.

Metaal-organische kaders

De metaalionen en op koolstof gebaseerde connectoren van MOF's vormen open, kooiachtige structuren. Een MOF van slechts enkele centimeters breed heeft een verbazingwekkende oppervlakte van 2,5 hectare. Dat biedt voldoende ruimte voor moleculen om mee te interageren.

Als resultaat, MOF's kunnen minuscule niveaus van chemicaliën detecteren. Wetenschappers bepalen welke chemicaliën ze willen dat een MOF detecteert door de grootte van de ruimtes te veranderen, zijn vorm, of hoe de onderdelen met elkaar verbonden zijn.

"Om een ​​MOF-gebaseerde sensor te laten werken, het moet heel selectief en heel gevoelig zijn, " zei Praveen Thallapally, een wetenschapper bij DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Een specifiek voordeel van MOF's is hun vermogen om nieuwe moleculen op te nemen door hun structuren te veranderen. Wetenschappers van PNNL ontdekten dat een MOF met een zinkbasis kobalt en koper kon vangen. Toen deze metalen het molecuul verlieten, de MOF keerde terug naar zijn oorspronkelijke structuur. Dit betekent dat nadat een chemische stof zich hecht aan een MOF en een sensor activeert, iemand zou de sensor kunnen resetten en opnieuw gebruiken zonder de MOF te hoeven vervangen.

Veel van het lopende onderzoek naar MOF's is gericht op het ontdekken en bouwen ervan. De traditionele uitgangsmaterialen van MOF's zijn rigide en moeilijk om mee te werken. In tegenstelling tot, polymeren (flexibele ketens van moleculen) zijn gemakkelijker te controleren. Echter, ze zitten meestal samen in dichte, ongeorganiseerde klonten. Om gebruik te maken van de voordelen van elk, wetenschappers van de Universiteit van Californië, San Diego vond een manier om polymeren te gebruiken om MOF's te bouwen. Door beide te gebruiken, kunnen onderzoekers de consistentie en het grote oppervlak van MOF's combineren met het gebruiksgemak van polymeren. De onderzoekers gebruikten de hybride materialen om dunne films te maken, die meestal worden gebruikt in sensoren.

De volgende doorbraak in MOF-onderzoek kan komen van computermodellering. Het kan jaren duren en erg duur zijn om met vallen en opstaan ​​uit te zoeken welke structuur het beste reageert op een specifieke chemische stof. In tegenstelling tot, krachtige computermodellen die gebruik maken van machine learning stellen wetenschappers in staat om binnen een paar dagen precies het juiste materiaal te vinden.

Wetenschappers van PNNL die op zoek waren naar een MOF die kon kiezen tussen xenon en krypton, werkten samen met het National Energy Research Scientific Computing Center, een Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE. Na het doorzoeken van meer dan 120, 000 opties, hun computermodel wees op een op calcium gebaseerd materiaal dat uitblonk in deze taak.

De neus met het lichaam verbinden

Een goed detectiemateriaal is essentieel, maar het gaat niet vanzelf. Net zoals een neus een lichaam en hersenen nodig heeft, detectiematerialen moeten deel uitmaken van een groter mechanisme. Helaas, Het is vaak een uitdaging om deze materialen samen te laten werken binnen een sensor.

Nanodeeltjesinkt afdrukken

"Inkt" gemaakt van sensing nanodeeltjes gedrukt op papier, plastic, rubber, of stof zou ingenieurs in staat kunnen stellen om kleinere en flexibelere sensoren te maken.

"Deeltjes maken is één ding. Maar van die deeltjes, het maken van een functionele inkt is niet triviaal, " zei ORNL-wetenschapper Pooran Joshi, in een licht understatement.

Een ORNL-onderzoek ging over de beste manier om op koper gebaseerde nanodeeltjes om te zetten in hoogwaardige inkt. Door slechts een paar miljoenste van een seconde een licht met hoge intensiteit te laten schijnen, wetenschappers hebben de nanodeeltjes samengesmolten zonder het onderliggende oppervlak te smelten. Toen de op koper gebaseerde nanodeeltjesinkt samensmolt, het creëerde een bedrukt oppervlak. Onderzoekers gebruikten het bedrukte oppervlak vervolgens als onderdeel in een temperatuursensor.

Nanobuisjes en nanokristallen combineren

Wetenschappers weten dat sensoren gemaakt van nanobuisjes en nanokristallen slechts één deel per miljoen gas kunnen detecteren - als ze deze twee materialen maar kunnen laten samenwerken.

Ralu Divan en haar team bij ANL ontdekten een manier om nanokristallen van zinkoxide - dat al in sensoren wordt gebruikt - toe te voegen aan koolstofnanobuisjes. Sensoren die de twee samen gebruiken, kunnen veel gevoeliger zijn voor methaan dan de huidige technologie. Door de zinkoxide nanokristallen atoom voor atoom neer te leggen, ze creëerden een dunne, consistente laag bovenop de nanobuisjes. Met dit proces, bedrijven kunnen de dikte en dekking van het zinkoxide nauwkeurig controleren.

Om de bindingen tussen de nanokristallen en nanobuisjes te onderzoeken, het team vertrouwde op het Center for Nanoscale Materials, een Office of Science-gebruikersfaciliteit bij ANL. "Alles op één plek hebben, heeft veel tijd bespaard en we konden sneller bewegen dan we hadden verwacht, ' zei Divan.

Als resultaat, ze ontwikkelden een sensor die veel lagere methaanconcentraties kon detecteren dan de vorige. Operators kunnen het opnieuw gebruiken in seconden in plaats van minuten of uren.

Deze sensor verbeterde zo veel op de bestaande technologie dat in 2016, R&D 100 Magazine erkende het als een R&D 100-finalist. Het onderzoeksteam werkt nu samen met het project Array of Things, een samenwerking tussen de Universiteit van Chicago en ANL. Als onderdeel van de inspanning om realtime gegevens te verzamelen van honderden sensoren in Chicago, het team van Array of Things verwacht deze methaansensoren in de toekomst te gebruiken.

Projecten zoals de Array of Things hebben het potentieel om steden om te vormen tot netwerken van sensoren, het plaatsen van digitale ogen en neuzen door het bebouwde landschap. Maar deze netwerken en technologieën zouden niet mogelijk zijn zonder een solide wetenschappelijke basis. Niets kan tippen aan de veelzijdigheid van de menselijke neus, maar onderzoek dat het Office of Science ondersteunt, helpt de hiaten in onze biologische capaciteiten op te vullen.