В России разработан материал для сверхбыстрых сенсоров

Новый материал на основе металл-органического каркаса создали ученые из университета ИТМО и медицинского центра имени Алмазова. Этот материал можно использовать для создания сенсоров, которые будут быстро и долго работать. Сенсоры нужны для обнаружения воды и токсичных молекул.

По словам исследователей, структура может мгновенно определять изменения влажности. Также она может обнаруживать опасное вещество диметилформамид. Это вещество часто используют на производствах.

Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Horizons.

На производствах используют специальные меняющие цвет датчики, чтобы быстро находить токсичные вещества и следить за влажностью.

Эти датчики работают благодаря особым материалам, которые называются сольватохромными. Они меняют свой цвет в зависимости от того, в какой среде находятся.

Сейчас большинство таких датчиков делают из красителей и неорганических солей. Но у этих материалов есть недостатки: их нельзя использовать повторно, они могут быть вредны для живых организмов (вызывать аллергию и накапливаться в организме), а также они реагируют на многие вещества и не всегда помогают найти именно то, что нужно.

В ИТМО говорят о новом способе, который может быть альтернативой другим решениям. Речь идет об использовании особых структур, которые называются металл-органическими каркасами (МОК). Это упорядоченные структуры, состоящие из органических молекул и ионов металла. Их химический состав можно изменять, чтобы придавать им разные свойства.

Раньше большинство таких структур быстро разрушались и могли менять цвет только через десятки циклов. Кроме того, они медленно меняли цвет при взаимодействии с растворителем — от нескольких дней до одной минуты. Также не было исследований, которые бы доказывали их безопасность для организма.

Ученые создали новый материал, который может быстро определять наличие воды и токсичных веществ. Он основан на использовании ионов кобальта и специального вещества — тримезиновой кислоты.

Особенность этого материала в том, что он реагирует только на определенные вещества. При взаимодействии с водой он становится розовым, а при контакте с токсичным диметилформамидом — фиолетовым. Это позволяет точно определить, какое вещество присутствует.

Новый материал работает очень быстро — он реагирует на воду и диметилформамид за 0,1 секунды, что в 600 раз быстрее, чем другие подобные материалы. Кроме того, он устойчив и долговечен — сохраняет свою структуру при температуре до 300 °C и выдерживает более 50 циклов изменения цвета.

Чтобы добиться такого быстрого изменения цвета, ученые нагревали материал инфракрасным лазерным излучением.

Ученые из медицинского исследовательского центра имени Алмазова провели эксперимент, чтобы проверить безопасность нового материала для живых организмов. Они использовали маленьких рыбок данио-рерио.

В ходе эксперимента ученые ввели в органы рыб новый материал и затем поместили эмбрионы рыб в раствор с этим веществом. После этого они проверили, сколько рыб выжило, и как они себя ведут.

Результаты показали, что средняя летальная дозировка вещества для взрослых особей составила 6 миллиграмм на килограмм массы тела. Это значит, что вещество относительно безопасно при проглатывании.

Также ученые установили среднюю летальную концентрацию вещества для эмбрионов — 0,81 миллиграмма на миллилитр водной среды. Это тоже говорит о низком уровне токсичности вещества на ранних стадиях развития.

Ученые разработали особый каркас, который можно использовать внутри эксикатора — сосуда для хранения химикатов и товаров, чувствительных к воде.

Этот материал может стать основой для устройства, способного обнаруживать молекулы воды и токсичное вещество диметилформамид. Диметилформамид бесцветен и почти не имеет запаха, поэтому его сложно определить без специальных приборов. Такое устройство будет полезным на химических производствах, где выделение побочного продукта в виде воды критично.

Мы провели исследование, которое может стать важным достижением в области создания датчиков для определения химических веществ. Нам удалось создать новый тип датчика — он очень быстрый, прочный и не вредит живым организмам. Этот датчик сделан из специального материала, который называется «металл-органический каркас.

В дальнейшем мы хотим продолжить изучение материалов, которые меняют свой цвет в зависимости от окружающей среды, и вместе с инженерами разработать устройство, которое можно будет использовать на производстве, — рассказала первый автор статьи, младший научный сотрудник ИТМО Мария Тимофеева.

Ранее ученые разработали химический сенсор, который упрощает обнаружение противопехотных мин.

11.12.2024