Ученые из России и Германии придумали, как создать селективный и высокочувствительный газовый сенсор, который может использоваться для контроля за состоянием окружающей среды. В основе нового газового анализатора — нанотрубки из диоксида титана.

Человечество нуждается в точных и недорогих газовых сенсорах, так как мониторинг состояния атмосферы — это крайне актуальная задача при нынешнем уровне развития промышленности и растущем населении нашей планеты. Идеальный газовый сенсор должен быть очень чувствительным и селективным, для того чтобы точно определять даже небольшие количества тех или иных веществ в воздухе, а также понимать тип присутствующего вещества. Газовый сенсор нового поколения также должен быть недорогим в производстве и потреблять как можно меньше энергии.

Современные газовые сенсоры изготавливаются из различных материалов: оксидов переходных металлов, углеродных материалов (графен, углеродные нанотрубки) и различных полимеров. Несмотря на очевидный прогресс в повышении чувствительности таких сенсоров, основной проблемой остается их низкая селективность. В то же время есть постоянная потребность в поиске новых технологий, совместимых  с современной электроникой.

Cхема изготовления мультисенсорного чипа на основе массива нанотрубок диоксида титана: (a-e) обозначают титановую фольгу (а), титановую фольгу с выращенным массивом нанотрубок диоксида титана (b), выделенный массив нанотрубок (с), массив нанотрубок, помещенный на чип (d), схему мультисенсорного чипа, разваренного в 50-пиновый керамический корпус (е)

В новом исследовании ученые из Сколтеха,  Карлсруйского технологического института (Германия), Саратовского технического университета и Института радиоэлектроники им. В. А. Котельникова РАН предложили технологию по созданию очень чувствительного сенсора с хорошей селективностью. В основу метода легло решение из области нанотехнологий. Ученые предложили создать сенсоры на основе упорядоченных массивов нанотрубок из диоксида титана, технология получения которых основана на использовании методов так называемой «мягкой химии». Диоксид титана — материал, проявляющий хеморезистивные свойства, его сопротивление изменяется при проявлении в атмосфере паров газа. Для реализации селективного определения паров газов в устройстве чувствительный материал разделен на сегменты — сенсоры, каждый из которых немного отличается по свойствам от других. Совокупность сигналов такой линейки сенсоров при воздействии паров газа можно рассматривать как «отпечаток пальца», характерный для паров каждого конкретного газа. 

«В ходе лабораторных исследований нам удалось протестировать отклик нашей системы — воздух, содержащий пары ацетона, изопропранола и этанола. Последние два газа очень похожи друг на друга с химической точки зрения. Мы смогли не только детектировать эти газы, но и определить их тип, для этого мы «обучили» нашу систему идентифицировать появление газа по  его «отпечатку пальца»», — рассказывает  научный сотрудник Сколтеха и первый автор исследования Федор Федоров.

Органические газы, в частности ацетон, могут быть индикаторами состояния здоровья человека. Количество ацетона в выдыхаемом человеком воздухе бывает повышенным при таких заболеваниях, как сахарный диабет, онкология и многие другие. Таким образом, новая технология может найти применение в диагностике заболеваний и в мониторинге окружающей среды.

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.