Три датчика в одном – результат использования нового материала на основе целлюлозы
Целлюлоза, смоченная в специально разработанной полимерной смеси, служит датчиком для измерения давления, температуры и влажности одновременно! Измерения абсолютно независимы друг от друга. Датчик может найти широкое применение в таких областях, как робототехника, медицина и обеспечение безопасности.
Возможность измерять давление, температуру и влажность важна при реализации различных технических решений — например, для наблюдения за пациентами на дому, в робототехнике, в разработках электронной кожи и функциональных тканей, в системах безопасности — и это лишь некоторые из областей применения. Исследования до сих пор были нацелены на объединение различных датчиков в одну схему, и это поставило несколько технических задач, не в последнюю очередь имеющих отношение к интерфейсу для пользователя.
Ученые из Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга под руководством профессора Ксавье Криспина успешно соединили все три измерителя в одном датчике.
Это стало возможным благодаря разработке эластичного аэрогеля из полимеров, которые проводят как ионы, так и электроны, работающему на основе термоэлектрического эффекта. Термоэлектрический материал — это материал, в котором электроны движутся от холодной стороны к теплой, и, таким образом, создается разность напряжений.
Когда нановолокна целлюлозы смешивают в воде с проводящим полимером PEDOT: PSS и смесь высушивают замораживанием в вакууме, при этом полученный материал в виде аэрогеля имеет такую же структуру, как губка для мытья. Добавление вещества, известного как полисилан, делает губку эластичной. Приложение электрического потенциала к материалу дает линейное увеличение тока, что типично для любого резистора. Но когда материал подвергается давлению, его сопротивление падает, и электроны протекают через него быстрее.
Поскольку материал является термоэлектрическим, можно измерять и изменения температуры: чем больше разница температур между теплой и холодной сторонами, тем выше полученное напряжение. Влажность влияет на то, как быстро ионы перемещаются с теплой стороны на холодную. Если влажность равна нулю, ионы не перемещаются.
«Новым является то, что мы можем различать термоэлектрическую реакцию электронов (определяющую градиент температуры) и реакцию ионов (определяющую уровень влажности), отслеживая электрический сигнал во времени. Все это происходит благодаря тому, что два вида реакции происходят при разных скоростях», — говорит Ксавье Криспин, профессор Лаборатории органической электроники и главный автор статьи, опубликованной в издании Advanced Science.
«Это означает, что мы можем измерить три параметра с помощью одного материала, без задействования трех разных измерителей», — говорит Ксавье.
Аспирант Шаобо Хан и старший преподаватель Симоне Фабиано из Лаборатории органической электроники нашли также и способ отделить три сигнала друг от друга, так что каждый из них может быть просто считан отдельно.
«Наш уникальный датчик также готовит почву для развития интернета вещей, упрощает производство и снижает производственные затраты. Это преимущество не последнее по значимости в сфере безопасности. Еще одно возможное применение — размещение датчиков в упаковках с товарами, требующими особого обращения», — говорит Симоне Фабиано.
28.03.2019 18:44
