(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een prototype draadloze sensor ontwikkeld die sporen kan detecteren van een belangrijk ingrediënt dat in veel explosieven wordt aangetroffen.

Het apparaat, die koolstofnanobuisjes gebruikt en op papier of papierachtig materiaal wordt gedrukt met behulp van standaard inkjettechnologie, in grote aantallen kunnen worden ingezet om autoriteiten te waarschuwen voor de aanwezigheid van explosieven, zoals geïmproviseerde explosieven (IED's).

"Dit prototype vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van de productie van een geïntegreerd draadloos systeem voor het detecteren van explosieven, ” zei Krishna Naishadham, een hoofdonderzoeker die het werk leidt bij het Georgia Tech Research Institute (GTRI). “Het bevat een sensor en een communicatieapparaat in een kleine, low-cost pakket dat bijna overal zou kunnen werken.”

Andere soorten sensoren voor gevaarlijke gassen zijn gebaseerd op dure halfgeleiderfabricage en gaschromatografie, Naishadham zei, en ze verbruiken meer stroom, menselijke tussenkomst nodig hebben, en werken doorgaans niet bij omgevingstemperaturen. Verder, die sensoren zijn niet geïntegreerd met communicatieapparatuur zoals antennes.

De draadloze component voor het communiceren van de sensorinformatie - een resonerende lichtgewicht antenne - werd gedrukt op fotopapier met behulp van inkjettechnieken die zijn bedacht door professor Manos Tentzeris van Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. Tentzeris werkt samen met Naishadham aan de ontwikkeling van het sensorapparaat.

De sensorcomponent, gebaseerd op gefunctionaliseerde koolstofnanobuisjes (CNT's), is gefabriceerd en getest op detectiegevoeligheid door Xiaojuan (Judy) Song, een GTRI-onderzoeker. Het apparaat vertrouwt op koolstof-nanobuismaterialen die zijn geoptimaliseerd door Song.

Een presentatie over deze detectietechnologie werd in juli gegeven op het IEEE Antennas and Propagation Symposium (IEEE APS) in Spokane, Wassen., door Hoseon Lee, een doctoraat student aan de School of Electrical and Computer Engineering, mede geadviseerd door Tentzeris en Naishadham. De paper ontving op het symposium de Honorable Mention Award in de Best Student Paper competitie.

Dit is niet de eerste inkjet-geprinte ammoniaksensor die is geïntegreerd met een antenne op papier, zei Tentzeris. Zijn groep produceerde vorig jaar een soortgelijke geïntegreerde sensor in samenwerking met de onderzoeksgroep van C.P. Wong, die Regents-professor en Smithgall Institute Endowed Chair is in de School of Materials Science and Engineering aan Georgia Tech.

"Het fundamentele verschil is dat deze nieuwste CNT-sensor een dramatisch verbeterde gevoeligheid heeft voor minuscule ammoniakconcentraties, ’ zei Tentzeris. "Dat zou de eerste praktische toepassingen in staat moeten stellen om sporen van gevaarlijke gassen te detecteren in uitdagende operationele omgevingen met behulp van inkjet-geprinte apparaten."

Tentzeris legde uit dat de sleutel tot het printen van componenten, circuits en antennes ligt in nieuwe "inkten" die zilveren nanodeeltjes bevatten in een emulsie die door de printer kan worden afgezet bij lage temperaturen - rond de 100 graden Celsius. Een proces genaamd sonicatie helpt om een ​​optimale inktviscositeit en homogeniteit te bereiken, waardoor een uniforme materiaalafzetting mogelijk is en een maximale operationele effectiviteit voor op papier gebaseerde componenten.

"Inkjetprinten is goedkoop en handig in vergelijking met andere technologieën zoals nat etsen, ’ zei Tentzeris. “Door de juiste inkt te gebruiken, een printer kan bijna overal worden gebruikt om aangepaste circuits en componenten te produceren, ter vervanging van traditionele cleanroombenaderingen.”

Goedkope materialen, zoals zwaar fotopapier of plastic zoals polyethyleentereftalaat, kunnen waterbestendig worden gemaakt om een ​​grotere betrouwbaarheid te garanderen, hij voegde toe. Inkjet printen van componenten kan ook gebruik maken van flexibele organische materialen, zoals vloeibaar kristal polymeer (LCP), die bekend staan ​​om hun robuustheid en weersbestendigheid. De resulterende componenten zijn qua grootte vergelijkbaar met conventionele componenten, maar kunnen zich aanpassen aan en hechten aan bijna elk oppervlak.

Naishadham legde uit dat dezelfde inkjettechnieken die worden gebruikt om RF-componenten te produceren, circuits en antennes kunnen ook worden gebruikt om de gefunctionaliseerde koolstofnanobuisjes te deponeren die voor detectie worden gebruikt. Deze cilindrische structuren op nanoschaal - ongeveer een miljardste van een meter in diameter, of 1/50, 000ste van de breedte van een mensenhaar - worden gefunctionaliseerd door ze te coaten met een geleidend polymeer dat ammoniak aantrekt, een belangrijk ingrediënt dat in veel IED's wordt aangetroffen.

Sonicatie van de gefunctionaliseerde koolstofnanobuisjes produceert een uniforme inkt op waterbasis die zij aan zij met RF-componenten en antennes kan worden bedrukt om een ​​compact draadloos sensorknooppunt te produceren.

"De geoptimaliseerde koolstofnanobuisjes worden toegepast als een sensorfilm, met specifieke functionalisering ontworpen voor een bepaald gas of analyt, ' zei Lied. “De GTRI-sensor detecteert sporen van ammoniak die gewoonlijk worden aangetroffen in de buurt van explosieven, en het kan ook worden ontworpen om soortgelijke gassen in huishoudens te detecteren, gezondheidszorg en industriële omgevingen met zeer lage concentratieniveaus.”

De sensor is ontworpen om ammoniak in sporenhoeveelheden te detecteren - zo laag als vijf delen per miljoen, zei Naishadham.

Het resulterende geïntegreerde detectiepakket kan mogelijk de aanwezigheid van sporenexplosief materiaal op afstand detecteren, zonder mensenlevens in gevaar te brengen. Deze aanpak, zogenaamde impasse detectie, omvat het gebruik van RF-technologie om explosieve materialen op relatief veilige afstand te identificeren. Het GTRI-team heeft het apparaat ontworpen om een ​​waarschuwing te sturen naar personeel in de buurt wanneer het ammoniak detecteert.

De draadloze sensornodes hebben relatief weinig stroom nodig, die afkomstig kunnen zijn van een aantal technologieën, waaronder dunnefilmbatterijen, zonnecellen of technieken voor het wegvangen van energie en het oogsten van energie. In samenwerking met de groepen van Tentzeris en Wong, GTRI onderzoekt manieren om de sensor passief te laten werken, zonder enig stroomverbruik.

"We richten ons op het bieden van patstellingdetectie voor degenen die betrokken zijn bij militaire of humanitaire missies en andere gevaarlijke situaties, ' zei Naishadham. “Wij geloven dat het mogelijk zal zijn, en kostenbesparend, om grote aantallen van deze detectoren op voertuigen of robots in te zetten in een militair gevechtsgebied.”