Китайские химики разработали огнеупорные неорганические обои на основе нитей из гидроксиапатита с термодатчиками из оксида графена, которые предупреждают о возникшем пожаре. Время отклика таких датчиков на повышение температуры до 130 градусов составляет две секунды, при этом работать на открытом огне они могут не менее пяти минут, пишут ученые в ACS Nano.

Графен — один из материалов, который был открыт не так давно, но уже довольно активно используется для создания различных элементов электронных устройств, в первую очередь как проводящий сенсорный материал. Прочитать о современном состоянии графеновых устройств и их ближайшем будущем вы можете в интервью с Константином Новоселовым, получившим за открытие графена Нобелевскую премию. Одним из возможных способов применения графена ученые называют использование его в качестве сенсорных элементов в красках или умных обоях, способных производить электрический ток, реагируя на нагревание или изменение освещения.

Китиайские химики из Шанхайского института керамики под руководством Чжи-Чао Сюна (Zhi-Chao Xiong) усовершенствовали технологию использования графеновых сенсоров в обоях и создали негорючую неорганическую бумагу, которая не только устойчива к огню, но и содержит термодатчики, способные вовремя предупредить о пожаре. Основу обоев составляет структура нанонитей гидроксиапатита длиной более 10 микрометров и толщиной около 10 нанометров.

В бумаге эти нити находились в двух состояниях: во-первых, в форме плоских переплетенных сеток, а во-вторых, в виде микрометровых волокон, в которых гидроксиапатитные нити намотаны на стеклянные провода из оксида кремния. Эти волокна придают структуре механическую прочность, сохраняя при этом небольшую массу материала и устойчивость к открытому огню. Максимального предела прочности такой бумаги при растяжении — около двух мегапаскалей — ученым удалось добиться при введении в структуру гидроксиапатитовой бумаги 20 процентов стеклянных волокон.

Схема структуры неорганических обоев из гидроксиапатитовых волокон с графеновыми сенсорами. F.-F. Chen et al./ ACS Nano, 2018

В качестве термодатчика в этих неорганических обоях ученые предложили использовать оксид графена. Поскольку при повышении температуры из структура оксида графена отрываются все кислородсодержащие функциональные группы, что приводит к переходу из диэлектрического в проводящее состояние, то такой материал можно использовать для замыкания цепи в датчиках двух типов: со световым и звуковым оповещением. Оказалось, что подобные датчики из чистого графена на гидроксиапатитовой бумаге срабатывают при температуре около 250 градусов Цельсия примерно с временем отклика около двух секунд.

Чтобы дополнительно повысить чувствительность такого графенового сенсора к изменению температуры и его устойчивость к открытому огню, ученые дополнительно модифицировали поверхность сенсора, добавив на нее молекулы полидофамина. За счет такого усовершенствования ученым удалось добиться срабатывания датчиков уже при нагревании всего до 130 градусов Цельсия, а время отклика составляло только две секунды.

Изменения, происходящие с небольшим кусочком обоев с графеновым сенсором при воздействии огня. F.-F. Chen et al./ ACS Nano, 2018

Изменения, происходящие с небольшим кусочком обоев с полидофаминовым графеновым сенсором при воздействии огня. F.-F. Chen et al./ ACS Nano, 2018

Неорганические гидроксиапатитовые обои при воздействии огня. F.-F. Chen et al./ ACS Nano, 2018

Стандартные обои из целлюлозной бумаги при воздействии огня. F.-F. Chen et al./ ACS Nano, 2018

При этом длительность работы таких сенсоров (продолжительность светового и звукового сигналов) составляла не менее 5 минут. Для сравнения, немодифицированные графеновые датчики переставали работать примерно через 3 секунды, а такие же датчики, но на обычных обоях из целлюлозной бумаги прекращали сигнализировать о перегреве через 7 секунд, просто потому сгорали сами обои.

Чтобы показать, что разработанную гидроксиапатитовую бумагу можно использовать для производства настоящих обоев, ученые покрасили участки огнеупорной сенсорной бумаги площадью в несколько сотен квадратных сантиметров с использованием нескольких различных красителей, а также с помощью обычного принтера напечатали на ней полноцветное изображение и показали, что при необходимости эта бумага может свободно гнуться и складываться. 

Небольшие кусочки обоев, сложенные в фигурки оригами (слева) и покрашенные в разные цвета (справа). F.-F. Chen et al./ ACS Nano, 2018

Обои с напечатанными на них с помощью обычного принтера изображениями. F.-F. Chen et al./ ACS Nano, 2018

Ученые отмечают, что разработанные ими умные пожаростойкие обои с тепловыми датчиками обладают достаточной чувствительностью и устойчивостью к огню, чтобы в будущем подобные материалы можно было использовать для повышения пожарной безопасности жилых помещений.

Функциональные материалы из графена или оксида графена нередко используют для разработки новых сенсорных устройств. Например, на основе графена предлагают делать неохлаждаемые тепловизоры. Кроме того, устройства на основе оксида графена можно использовать как автономные датчики влажности.

Автор: Александр Дубов