研究簡介

最近，科學(xué)家們開了一種化學(xué)傳感材料，當(dāng)暴露于有毒氣體中時，其電導(dǎo)率會動態(tài)增加。另外，研究小組將傳感器材料集成進(jìn)近場通訊 （NFC）標(biāo)簽的電子電路中，類似嵌入智能卡中。通過此項技術(shù)，智能手機(jī)在5秒鐘內(nèi)，就可以快速監(jiān)測到低濃度有毒氣體（10 ppm）。

有毒氣體監(jiān)測的必要性和目前瓶頸

當(dāng)今社會中，有毒氣體有著各種來源，例如自然界中的火山氣體，人為事故造成的有毒氣體泄露等等。為了減少有毒氣體的危害，一般需要通過傳感器設(shè)備對其進(jìn)行監(jiān)測。目前，監(jiān)測有毒氣體的傳感器比較昂貴，笨重，龐大，難以操作，也難以在公共區(qū)域安裝，且也不便于攜帶。所以。這意味著需要更簡單、快速檢測有毒氣體的傳感器和方法。

監(jiān)測使用的化學(xué)傳感材料

研 究小組所開發(fā)的化學(xué)傳感器材料，主要是碳納米管（CNTs）。IntelligentThings之前也在文章中，提到過這種材料，例如在“‘水凝膠’觸 摸板誕生：未來應(yīng)用前景廣闊”一文（點(diǎn)此閱讀）中就提及：“碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)，電學(xué)和化學(xué)性 能。” 然而，這種材料除了具有CNTs，在CNTs外部還包裹著超分子聚合物，這些單體簇通過弱相互作用結(jié)合在一起。

該化學(xué)材料監(jiān)測有毒氣體的原理

當(dāng)材料暴露于親電子的有毒氣體中，它的電導(dǎo)率會增加至原來的3000倍。CNTs自身就是高導(dǎo)電物質(zhì)，但是當(dāng)它們被超分子聚合物包裹時，就像絕緣體，變成不良導(dǎo)體。超分子聚合物的設(shè)計，讓位于分子中的弱束縛，在遇到有毒氣體時分離，從而拆分開包裹的分子。所以，原來高導(dǎo)電狀態(tài)的CNTs恢復(fù)功能。電導(dǎo)率的變化程度，和有毒氣體濃度以及接觸持續(xù)時間成正比，并且電導(dǎo)率很容易通過普通商用電阻表進(jìn)行測量。

傳感器的制作和NFC技術(shù)的應(yīng)用

有毒氣體傳感器，就是通過集成化學(xué)傳感材料到商用NFC標(biāo)簽中而制成，然后在智能手機(jī)上讀取測量值。用戶可以通過持有NFC兼容的智能手機(jī)，與嵌入傳感器的NFC標(biāo)簽通信，來判斷是否存在有毒氣體。但是，前提是確保兩個設(shè)備之間通信完好。傳感器是一次性的，1克化學(xué)感知物質(zhì)可制成400萬個傳感器。所以，它具有低成本量產(chǎn)的可行性。

未來展望

在未來的研究中，研究人員計劃通過對于超分子聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，從而開發(fā)監(jiān)測各種有毒化學(xué)物質(zhì)的傳感器，且靈敏度更高、更快速、更容易。

他們也開發(fā)一種系統(tǒng)，可以選擇和化學(xué)傳感器應(yīng)用兼容的無線通信技術(shù)類型（根據(jù)通信的距離，功耗等等），并且將化學(xué)傳感器和云技術(shù)相結(jié)合，更好的監(jiān)測有毒氣體。

研究團(tuán)隊

這個研究小組由前沿分子組，國際納米結(jié)構(gòu)材料研究所（MANA），日本國立材料研究所 （NIMS）的 Shinsuke Ishihara 高級研究員，和麻省理工學(xué)院（MIT）的Timothy M. Swager教授等科學(xué)家構(gòu)成。這項研究由MIT開展，日本社會科學(xué)促進(jìn)會的國外研究博士后項目支持。研究發(fā)表在2016年6月23日的美國化學(xué)學(xué)會雜志上。

研究簡介

最近，科學(xué)家們開了一種化學(xué)傳感材料，當(dāng)暴露于有毒氣體中時，其電導(dǎo)率會動態(tài)增加。另外，研究小組將傳感器材料集成進(jìn)近場通訊 （NFC）標(biāo)簽的電子電路中，類似嵌入智能卡中。通過此項技術(shù)，智能手機(jī)在5秒鐘內(nèi)，就可以快速監(jiān)測到低濃度有毒氣體（10 ppm）。

有毒氣體監(jiān)測的必要性和目前瓶頸

當(dāng)今社會中，有毒氣體有著各種來源，例如自然界中的火山氣體，人為事故造成的有毒氣體泄露等等。為了減少有毒氣體的危害，一般需要通過傳感器設(shè)備對其進(jìn)行監(jiān)測。目前，監(jiān)測有毒氣體的傳感器比較昂貴，笨重，龐大，難以操作，也難以在公共區(qū)域安裝，且也不便于攜帶。所以。這意味著需要更簡單、快速檢測有毒氣體的傳感器和方法。

監(jiān)測使用的化學(xué)傳感材料

研 究小組所開發(fā)的化學(xué)傳感器材料，主要是碳納米管（CNTs）。IntelligentThings之前也在文章中，提到過這種材料，例如在“‘水凝膠’觸 摸板誕生：未來應(yīng)用前景廣闊”一文（點(diǎn)此閱讀）中就提及：“碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)，電學(xué)和化學(xué)性 能?！?然而，這種材料除了具有CNTs，在CNTs外部還包裹著超分子聚合物，這些單體簇通過弱相互作用結(jié)合在一起。

該化學(xué)材料監(jiān)測有毒氣體的原理

當(dāng)材料暴露于親電子的有毒氣體中，它的電導(dǎo)率會增加至原來的3000倍。CNTs自身就是高導(dǎo)電物質(zhì)，但是當(dāng)它們被超分子聚合物包裹時，就像絕緣體，變成不良導(dǎo)體。超分子聚合物的設(shè)計，讓位于分子中的弱束縛，在遇到有毒氣體時分離，從而拆分開包裹的分子。所以，原來高導(dǎo)電狀態(tài)的CNTs恢復(fù)功能。電導(dǎo)率的變化程度，和有毒氣體濃度以及接觸持續(xù)時間成正比，并且電導(dǎo)率很容易通過普通商用電阻表進(jìn)行測量。

傳感器的制作和NFC技術(shù)的應(yīng)用

有毒氣體傳感器，就是通過集成化學(xué)傳感材料到商用NFC標(biāo)簽中而制成，然后在智能手機(jī)上讀取測量值。用戶可以通過持有NFC兼容的智能手機(jī)，與嵌入傳感器的NFC標(biāo)簽通信，來判斷是否存在有毒氣體。但是，前提是確保兩個設(shè)備之間通信完好。傳感器是一次性的，1克化學(xué)感知物質(zhì)可制成400萬個傳感器。所以，它具有低成本量產(chǎn)的可行性。

未來展望

在未來的研究中，研究人員計劃通過對于超分子聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，從而開發(fā)監(jiān)測各種有毒化學(xué)物質(zhì)的傳感器，且靈敏度更高、更快速、更容易。

他們也開發(fā)一種系統(tǒng)，可以選擇和化學(xué)傳感器應(yīng)用兼容的無線通信技術(shù)類型（根據(jù)通信的距離，功耗等等），并且將化學(xué)傳感器和云技術(shù)相結(jié)合，更好的監(jiān)測有毒氣體。

研究團(tuán)隊

這個研究小組由前沿分子組，國際納米結(jié)構(gòu)材料研究所（MANA），日本國立材料研究所 （NIMS）的 Shinsuke Ishihara 高級研究員，和麻省理工學(xué)院（MIT）的Timothy M. Swager教授等科學(xué)家構(gòu)成。這項研究由MIT開展，日本社會科學(xué)促進(jìn)會的國外研究博士后項目支持。研究發(fā)表在2016年6月23日的美國化學(xué)學(xué)會雜志上。