Ученые ТПУ: инновации в обработке металлоорганических каркасов для датчиков.

24-09-2024: UEFIMA.RU:  Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) в сотрудничестве с Шанхайским институтом керамики Китайской академии наук совершили революционный прорыв в области гибких датчиков, разработав уникальный композит с помощью лазерной обработки металлоорганических каркасов (MOF).

MOF – это полимерные материалы с пористой структурой, состоящей из металлических ионов, соединенных органическими молекулами-лигандами, сообщает служба новостей Томского политехнического университета.

Их особенность заключается в гибкости, высокой площади поверхности и способности к адсорбции различных веществ.

Современные гибкие датчики, используемые в различных сферах – от транспорта и энергетики до медицины, преимущественно регистрируют электрический сигнал.

Это создает трудности при измерении температуры, давления или деформации, так как изменения, связанные с этими факторами, могут быть сложны для фиксации.

Команда ТПУ нашла решение, позволяющее повысить чувствительность гибких датчиков за счет усиления сигнала люминесценции.

"Люминесценция проявляет чувствительность к температурным изменениям, в то время как электрическое сопротивление реагирует на деформацию. При этом материал сохраняет стабильность на протяжении 10 тысяч циклов сгиба, что свидетельствует о долговечности электродов. Данный подход может в дальнейшем быть использован для разработки датчиков температуры и изгиба, позволяя независимо измерять оба сигнала", — подчеркивает руководитель проекта, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Евгения Шеремет.

Лазерная обработка MOF позволяет трансформировать каркасы из цинка и органических молекул-лигандов в высоколюминесцентные N-легированные наноуглероды.

При облучении лазером MOF, в данном случае ZIF-8, происходит процесс лазерного абляции. Это приводит к образованию высоколюминесцентного материала, обладающего уникальными свойствами.

Лазерная обработка MOF усиливает световой сигнал люминесценции в 70 раз, что значительно повышает чувствительность датчиков.

Использование сигнала люминесценции позволяет надежно отличить изменения температуры, давления и деформации сенсора.

"Мы выявили любопытный эффект: при лазерном облучении ZIF-8 возможно получение материала с высокой интенсивностью люминесценции, независимо от выбранной подложки. Это впервые было осуществлено с применением лазера. В процессе исследования трансформации материала мы установили, что он преобразуется в легированный азотом наноуглерод и наноструктуры оксида цинка. Более того, применение гибкой полиуретановой пленки, напечатанной на 3D-принтере, привело к интеграции углерода в подложку, что обеспечило материалу электрическую проводимость и механическую прочность, что особенно актуально для гибкой электроники", — комментирует один из основных авторов статьи, инженер Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Чан Туан Хоанг.

Метод обработки лазером прост в реализации и не требует сложных этапов синтеза, что значительно сокращает время и затраты на производство.

Разработка TПУ и Шанхайского института керамики открывает широкие перспективы для использования гибких датчиков в различных сферах.

Высокочувствительные датчики могут быть использованы в имплантатах для мониторинга физиологических параметров, таких как температура, давление и пульс, а также для диагностики заболеваний.

Датчики на основе MOF могут применяться в системах контроля состояния объектов, например, мостов, зданий и транспортных средств, для раннего выявления деформаций и повреждений.

Гибкие датчики могут использоваться для оптимизации работы солнечных батарей, а также для мониторинга состояния энергетических систем.

В настоящее время исследователи продолжают изучать процесс лазерной обработки MOF, чтобы оптимизировать свойства полученного материала и расширить область его применения.