Британские физики разработали сенсор влажности на основе оксида графена. Такой сенсор, состоящий из слоя оксида графена и графеновой антенны, очень прост при изготовлении и может работать без внешних источников питания, пишут ученые в Scientific Reports.

Графен представляет собой одиночный слой графита — пленку толщиной в один атом, в которой атомы углерода расположены в узлах гексагональной решетки. За счет своей структуры графен обладает довольно необычными электрическими и механическими свойствами: он проводит электрический ток, при этом он гибкий, прочный и очень легкий, что позволяет использовать сам графен и вещества, полученные на его основе (в частности, оксид графена, в котором к некоторым из атомов углерода в решетке присоединены кислород или гидрокси-группы), в качестве элемента сенсорных дисплеев или для создания RFID-меток, которые применяют для идентификации объектов с помощью радиосигналов.

Физики под руководством Чжижунь Ху (Zhirun Hu) из Манчестерского университета предложили использовать оксид графена для создания сенсора влажности. Такой сенсор основан на том, что диэлектрическая проницаемость оксида графена зависит от количества воды в окружающей среде. Поэтому при увеличении влажности происходит смещение резонансного пика пропускания, который наблюдается у оксида графена в гигагерцовом диапазоне. При уменьшении влажности от 100 процентов до нуля резонансная частота пропускания меняется с 1,04 до 1,01 гигагерца.

Зависимость коэффициента пропускания оксида графена в гигагерцовой области в зависимости от влажности. Сплошными линиями обозначены экспериментальные данные, пунктирными линиями — данные компьютерного моделирования. X. Huang et al./ Scientific Reports, 2018

Такое изменение частоты резонансного пика можно зарегистрировать с помощью RFID-антенны, поэтому для создания сенсора влажности достаточно просто нанести слой оксида графена на графеновую антенну, которая используется в RFID-метке. В своей работе физики наносили многослойный оксид графена толщиной около 30 микрон с помощью печати на бумажную подложку, покрытую графеном, площадью примерно 15 на 8 квадратных миллиметров. Слои чистого графена и оксида графена образуют устойчивую многослойную гетероструктуру, в которой отдельные слои притягиваются друг к другу за счет сил Ван-дер-Ваальса.

Микрофотографии оксида графена, нанесенного на поверхность RFID антенны. Верхний слой — это оксид графена, по ним расположен слой графена, снизу — бумажная подложка. X. Huang et al./ Scientific Reports, 2018

В результате такого совмещения графена с оксидом графена ученым удалось получить сенсор влажности, который работает без внешнего источника энергии. По разнице между сигналом, поданным на такую антенну, и полученным на детекторе устройства после обратного рассеяния, можно определить частоту резонансного пика и, соответственно, влажность окружающей среды. По словам ученых, основное достоинство такого сенсора состоит в его дешевизне и возможности получать чувствительные поверхности практически неограниченной площади.

По словам одного из соавторов работы нобелевского лауреата Константина Новоселова, это первая технология печати гетероструктур из нескольких двумерных материалов, с помощью которой можно получить  функциональное устройство, уже готовое к использованию. А поскольку такое устройство не требует внешних источников питания и проводных соединений для передачи информации, то его можно использовать в качестве одного из элементов интернета вещей — сети, объединяющей друг с другом физические предметы, не оснащенные средствами подключения к традиционным сетям передачи данных.

Материалы на основе графена и его производных применяются не только в электронных устройствах. Также их можно использовать, например, в качестве очень эффективных мембран для фильтрования как воды, так и органических растворителей.

Автор: Александр Дубов