- Статьи
- Наука и техника
- Топливный эффект: в РФ разрабатывают инновационные датчики для проверки бензина
Топливный эффект: в РФ разрабатывают инновационные датчики для проверки бензина
В Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе разработали метод синтеза производных графена, с помощью которых можно создать чувствительные датчики, анализирующие состав жидкости или газа. В частности, ученые создают прибор для определения качества топлива. Устройство сможет различать его виды (керосин, дизель, бензин) и состав бензина (АИ-92, АИ-95, АИ-98). Такой датчик намного удобнее существующих систем: он портативный и дает результат мгновенно, так что пробу не нужно везти в лабораторию. Также новые устройства помогут оценить уровень загрязнения воды, определить примеси в авиационном керосине и даже качество продуктов питания, спиртных напитков и парфюмерии.
Добавленная стоимость
Ученые ФТИ им. А.Ф. Иоффе и НИЦ «Курчатовский институт» работают над методами синтеза производных графена. Эти материалы применяются в качестве основы газоанализаторов и систем, называемых «электронный нос». Они позволяют не просто определять присутствие отдельных газов в атмосфере, а чувствовать и идентифицировать конкретные запахи — аналогично тому, как работает обоняние человека.
Для таких приборов нужен не обычный графен, а его производные. Так называют графен, к которому химически привязаны функциональные группы (органические молекулы с определенными молекулярным составом, структурой и свойствами). Такие материалы обладают разной величиной отклика (хеморезистивным эффектом) по отношению к различным газам из-за особенностей взаимодействия функциональных групп с газами. Как результат, производные графена гораздо лучше распознают определенные газы на фоне других.
— Есть совсем небольшой список элементов, которые способны участвовать в такой модификации, — рассказал «Известиям» старший научный сотрудник Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований Ратибор Чумаков. — Это кислород, фтор, хлор и азот. Однако фториды и хлориды сильно меняют химический состав материала и даже разрушают графен. Азот же меняет его свойства, но при этом структура графена сохраняется — полученный материал называют аминированным графеном.
Ранее с введением азота в структуру графена были проблемы. Но группа исследователей из Курчатовского института, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ИТМО, ФИЦ ХФ РАН, Берлинского центра материалов и энергии им. Гельмгольца предложила свой метод синтеза аминированного графена.
— Мы разработали технологии синтеза таких производных, которых раньше не было, научились эффективно привязывать к графену функциональные группы, — рассказал руководитель работы, научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Максим Рабчинский. — Мы берем обычный графит, который есть в карандашах, помещаем его в серную кислоту вместе с окислителем и получаем листы оксида графена. Из этого материала с помощью обработки различными неорганическими соединениями в определенных соотношениях и концентрации создаются производные графена, где кислород заменен бромом, серой или азотом — тем, чем нам нужно.
После проведения работы возник вопрос, куда именно в структуре графена присоединяется азот.
— Электронные свойства графена зависят от связей, образовавшихся у него с азотом, — пояснил Ратибор Чумаков. — На синхротроне НИЦ «Курчатовский институт», а также с помощью электронной микроскопии и рентгена мы исследовали эти связи. Оказалось, что 5% от всех связей в материале — азотные. Это достаточно большая величина: даже 1% позволяет сильно изменить электрохимические свойства. Таким образом, у нас появилась возможность управлять свойствами графена в широких пределах.
Ученые оптимизировали технологию производства аминированного графена так, чтобы получать до сотни граммов нужного материала в неделю. Сейчас это делается в лаборатории, но в планах в ближайшее время запустить серийное производство материалов.
Стойкий и чуткий
Датчик на графене устроен следующим образом. Различные производные вещества наносят на конкретные места чипа с несколькими десятками электродов. При связывании с молекулами анализируемого газа (или жидкости) производные графена приобретают дополнительный электрон или теряют его. Это меняет сопротивление проводящего слоя. Проходящий по нему ток увеличивается или уменьшается, что и регистрирует прибор.
Для работы конечного устройства понадобится нейросеть. С помощью анализа полученных величин сопротивления программа должна строить некий образ — для каждого запаха он свой. Нейросеть можно натренировать, показав ей много разных запахов.
Один из вариантов применения датчика — создание устройства для анализа качества топлива. Прибор сможет различать как его виды (керосин, дизель, бензин), так и состав бензина — АИ-92, АИ-95, АИ-98. Готовое устройство будет представлять собой компактный и дешевый датчик для многоразового использования, похожий по принципу работы на глюкометр. Он может пригодиться как обычным людям, так и компаниям. Сейчас ФТИ им. А.Ф. Иоффе обсуждает этот проект с «Газпромом».
Новый прибор поможет зарегистрировать и утечку вредных веществ — производственные выбросы в воздух или воду. В частности, ФТИ им. А.Ф. Иоффе и НИЦ «Курчатовский институт» вошли в совместный проект с ООО «НИИИТ», разрабатывающим газоанализаторы для нужд «Мосводоканала». Задача — регистрация веществ, которые не должны были попадать в канализацию.
— Если полупроводниковые сенсоры быстро теряют работоспособность из-за химического взаимодействия с такими веществами, производные графена в наших чипах значительно более стабильны, — пояснил Максим Рабчинский.
В Научно-исследовательском институте инновационных технологий (НИИИТ) рассказали, что испытывают, отлаживают и планируют запустить в производство ряд приборов на основе графеновых сенсоров. В частности, для анализа выдыхаемого пациентом воздуха для постановки диагноза, определения качества продукции (например, продуктов питания), анализа духов в парфюмерии при производстве, контроля выбросов вредных веществ.
— Потребителю важны технические возможности и цена приборов, — подчеркнул главный инженер, ведущий специалист по газоаналитике НИИИТ Андрей Соколов. — Преимущество датчиков на графене заключается, прежде всего, в малом энергопотреблении. Они могут работать на батарейках около года в режиме непрерывного измерения сигнала и передачи информации. Второе — графеновая структура хорошо реагирует на многие органические молекулы на своей 40-канальной матрице, что расширяет возможности датчика.
Еще одно направление работ — датчики наличия различных вредных веществ, например нитратов в продуктах питания. Кроме того, приборы можно применять для определения воды в авиационном керосине.
