Одностеннные углеродные нанотрубки (ОСУН) в последние годы широко используются в высокопоглощающих нанопокрытиях на оптических детекторах, применяемых в химических целях и работающих в воздушной или водяной среде. Новые покрытия, разработанные итальянскими физиками, которые составлены из углеродных нанотрубок, внедренных в матрицы арахидата кадмия (CdA), существенно улучшают надежность и производительность волоконно-оптических химических датчиков.

В световолоконных датчиках не сегодняшний день достигнуты исключительные характеристики, в частности, пределы чувствительности, превышающие концентрации 1 ppm; исключительно высокая повторяемость; быстродействие, не превышающее единиц минут. Тем не менее, проблемой на сегодня является адгезия нанотрубок к торцу световода, что должно быть решено, прежде, чем такие системы могут быть коммерциализованы. Группа итальянских ученых, основная часть которой представляет Инженерный факультет Университета Саннио Беневенто (University of Sannio Benevento, Italy), и возглавляемая д-ром Марко Гонзалесом (Marco Consales) предложила новый тип чувствительных покрытий, которые составлены из углеродных нанотрубок, внедренных в матрицы арахидата кадмия (арахиновая кислота С₁₉Н₃₉COOH — одноосновная предельная карбоновая кислота. ЕБ), и существенно улучшают надежность и производительность волоконно-оптических химических датчиков. Эксперименты показали, что такие композитные покрытия, интегрированные с волоконно-оптической технологией, предлагают большой потенциал при отслеживании следов химических веществ в воде. Применение таких сенсоров ограничено комнатными температурами, однако новый тип покрытия предполагает большие перспективы по сравнению с традиционными ОСУН -покрытиями. По всей видимости, эта работа является первой, демонстрирующей экспериментальные результаты, подтверждающие возможности нано-покрытий подобного типа при распознавании химических веществ в водной среде.

Конфигурация опто-волоконного датчика базируется на своеобразной схеме интерферометра Фабри-Перо, образуемого напылением тонких чувствительных абсорбирующих жидкость нанопокрытий на торец типового одномодового опто-волокна (рис.1). Наличие искомых молекул химического вещества меняет показатель преломления и толщину абсорбирующего покрытия. При пропускании света через опто-волокно, часть пучка, отраженная от покрытия, оказывается промодулирована в соответствии с изменениями в самом покрытии, вызванными инородными химическими веществами. Оптические приемники излучения, регистрирующие отраженный пучок, сканируя его, позволяют определить концентрации примеси в зондируемом объеме по определенному алгоритму.

Рис. 1. Химический датчик включает в себя абсорбирующее нано-покрытие на торце опто-волокна. Благодаря изменениям в показателе преломления и толщине этого покрытия, вызванных наличием химической примеси в образце (газовом или жидкостном), их концентрация может быть определена по изменениям в отражательной способности покрытия

Нанесение CdA/ОСУН нанокомпозиций на соответственно подготовленный торец световода процесс достаточно известный и описанный в литературе. Ученые использовали матрицы CdA в качестве базового материала потому, что этому материалу одновременно свойственны и гидрофильные и гидрофобные свойства, что в данном случае прекрасно соответствует физике работы интерферометра и в то же время является приемлемым для стандартной техники нанесения покрытий на торцы одиночных световодов. На рис.2 приведены типичные изображения CdA/ОСУН нанокомпозиций, полученные с помощью сканирующего электронноги микроскопа. Хорошо видна тенденция углеродных нанотрубок собираться вместе (аггрегировать), образуя связки, и в то же время, образовывать хорошую связь (адгезию) с поверхностью световода, благодаря содействию CdA.

Рис.2. Типичные изображения CdA/ОСУН нанокомпозиций, полученные с помощью сканирующего электронноги микроскопа при различных увеличениях

В работе приведены экспериментальные результаты исследования характеристик световодных датчиков с CdA/ОСУН покрытиями. Авторы определяли концентрации толуола и диметилбензола в воде при комнатной температуре. На рис.3 показаны типичные отклики приемника излучения при различных концентрациях (20–100 ppm) толуола в образце. Поглощение анализируемого вещества нанокомпозитным слоем приводит к значительным изменениям в оптических свойствах покрытия. Эти изменения приводят к существенному уменьшению отражательной способности тонкой пленки. Эксперименты показали возможность разработанного опто-электронного устройства определять концентрации примесей в тестированных образцах на уровне и с точностью единиц ppm. При этом, получена хорошая повторяемость результатов и показана возможность восстановления изначального уровня сигнала по удалении химической примеси. Аналогичные результаты были получены для диметилбензола в тех же диапазонах концентраций.

Рис. 3. Относительные изменения в отражательной способности покрытий из CdA/ОСУН, полученные при различных концентрациях толуола в воде

Эксперименты показали линейное поведение характеристических кривых датчика (см. рис.4) в экспериментах с обоими примесями во всем исследованном диапазоне концентраций (0–100 ppm). Эксперименты также показали типично более высокую чувствительность системы по обнаружению диметилбензола (1.0 × 10−3 ppm⁻¹) по сравнению с толуолом (4 × 10−4 ppm⁻¹). На рис.4 чувствительность системы сравнивается с чувствительностью датчиков, использующих чисто ОСУН- покрытия. Результаты экспериментов свидетельстуют о существенно более высокой чувствительности датчиков на композитном (CdA/ОСУН) покрытии: (4 × 10⁻⁴ ppm⁻¹) по сравнению со стандартными датчиками на углеродных нанотрубках (1:2 × 10⁻⁴ ppm⁻¹).

Рис. 4. Характеристические кривые приемников излучения с покрытием нанокомпозитным слоем и без него, полученные для толуола и диметилбензола

В заключение авторы отмечают, что разработанные датчики с нанокомпозитными CdA/ОСУН покрытиями имеют большие перспективы для обнаружения следов химических веществ в водной среде. Дальнейшая работа в данном направлении и интегация покрытий с волоконно-оптическими технологиями могут открыть новое направление в практической области мониторинга качества и чистоты воды и их быстрого выхода на рынок.

Евгений Биргер