Графен можно использовать для идентификации следов взрывчатых веществ в воздухе, показало исследование китайских и американских ученых. Детектор на основе графеновой пены «чувствует» миллионные процентные доли газов, которые являются «отпечатками пальцев» взрывчатки.

Новое исследование ученых из Политехнического института Ренсселира показало, что графеновая пена может послужить газовым детектором, распознающим потенциально опасные и взрывчатые вещества, причем получать ее можно в промышленных количествах.

Открытие указывает путь к новому поколению газовых датчиков, которые смогут использовать саперы, службы общественной безопасности, войска, а также заводы в производственных целях.

Как известно,

графен, за открытие которого получили Нобелевскую премию по физике 2010 года ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов, представляет собой отдельные двумерные слои углерода – того самого, из которого состоят графит и уголь.

Пузырьки «пены» детектора состоят именно из таких слоев, плавно переходящих друг в друга без оформленных границ между отдельными листами.

Новый сенсор давал правильные воспроизводимые результаты по измерению аммиака и диоксида азота в количествах около 20 миллионных долей. Детектор представляет собой графеновые нанослои, наложенные друг на друга. Они формируют структуру, подобную пене. Размер гибкого детектора примерно с почтовую марку, толщина как у фетровой ткани, он гибкий и прочный.

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports, издаваемом в издательстве Nature Publishing Group.

«Мы очень довольны полученными результатами и надеемся, что эта работа станет первым шагом к созданию коммерчески доступных газовых сенсоров. По нашим данным,

они гораздо более чувствительны к аммиаку и диоксиду азота, чем коммерчески доступные детекторы сегодня»,

• заявил профессор Нихил Кораткар, руководивший исследованием вместе с профессором Чен Хуамином из Китайской академии наук.

В последние 10 лет ученые показали, что можно искусственно создавать наноструктуры, чрезвычайно чувствительные к заданным химическим веществам, в частности газам.

Однако создать и заставить работать наноструктуру, детектирующую газ, очень сложно и дорого.

Сложность технологии производства не оставляла особых надежд на коммерческое внедрение. Отдельные нанослои наносились поочередно с помощью литографии, их положение контролировали с помощью микроскопии, затем следовал еще ряд сложных дорогостоящих шагов. Полученная в мобильном устройстве структура была очень хрупкой, могла легко разрушиться и стать нефункциональной. Кроме того, не всегда было просто удалять из наноструктуры целевой газ, поглощенный ею.

Рис. 1. Микроскопическое изображение графеновой пены//Nikhil Koratkar.

Созданный Кораткаром и его коллегам детектор сохраняет все ценные свойства индивидуальной наноструктуры, однако с ним гораздо проще работать из-за вполне макроскопического размера. Коллеги Кораткара в Китае вырастили графен на матрице никелевой пены. После этого металл удалили – в результате остался хорошо структурированный пеноподобный графен.

Такая структура обладает специфическим сродством к газам. Если поместить ее в воздух с примесью аммиака или диоксида азота, частички газа адсорбируются (или «застревают») в ней. При этом поглощенные

газы модифицируют графеновые слои, и это коренным образом сказывается электрическом сопротивлении всего детектора. На измерении этого изменения и основан механизм работы сенсора.

Кроме того, графеновый детектор очень легко чистить. Через него пропускают ток силой около 10 мА – этого достаточно, чтобы нагреть структуру настолько, чтобы произошла десорбция частиц газа. Такой механизм очистки не влияет на степень эффективности детектирования газов: процесс сорбции-десорбции газов полностью обратим, то есть это детектор многоразового использования. Это делает технологию малоэнергозатратной: для очистки детектора не нужен внешний источник тепла.

Кораткар выбрал аммиак в качестве тестового газа, на котором были проверенны свойства нового детектора. Нитрат аммония – составная часть многих взрывчатых веществ. При хранении он постепенно разлагается, выделяя аммиак в следовых количествах, поэтому именно детекторы на аммиак используются для поиска взрывчатки. Правда, аммиак используется не только в военных целях: это компонент ряда процессов в химической и фармацевтической промышленности, поэтому не менее важно контролировать содержание этого газа в воздухе цехов, чтобы вовремя заметить утечку.

Испытания графеновой пены показали, что

она «чует» аммиак в количествах до тысячи миллионных долей за 5–10 минут при комнатной температуре и атмосферном давлении.

При этом регистрируемое изменение сопротивления составляет 30%. Современные коммерчески доступные полимерные сенсоры на порядок хуже: 30-процентное изменение сопротивления достигается через 5–10 минут в воздухе с 10 000 миллионных долей аммиака. Чувствительности графенового детектора хватает на распознавание 20 миллионных долей аммиака в воздухе. Кроме того, ряд современных детекторов энергоемки: для работы их приходится нагревать до высоких температур, а графеновая пена успешно работает в стандартных условиях.

Диоксид азота (его еще называют «лисий хвост» – за окраску) стал вторым тестовым газам.

Многие виды взрывчатки, например нитроцеллюлоза и тринитротолуол (тротил), относятся к нитропроизводным и выделяют диоксид азота при постепенном разложении.

Кроме того, NO₂ – один из основных газов-загрязнителей, уровень которого необходимо контролировать в продуктах горения, выхлопах автомобиля и других отходах.

Графеновый детектор «чувствовал» 100 миллионных долей диоксида азота в воздухе за 5–10 минут – сопротивление изменялось в пределах 10%, что снова оказалось в 10 раз эффективнее коммерчески доступных детекторов.

«Это первая наноструктура, пригодная для коммерциализации как газовый датчик», – заключил Кораткар.

Модификация графеновой пены позволит создать детекторы, чувствительные не только к аммиаку и диоксиду азота, но и к другим газам, уверен он.