Ученые Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (СГТУ) совместно с коллегами из НИУ МИЭТ и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН представили разработку в области сенсорных технологий. Ими был создан двумерный материал (максен) на основе карбида вольфрама для обнаружения и распознавания различных газов и измерения влажности в концентрациях ниже порога восприятия человека. Об этом сообщает Минобрнауки России.

Разработанный материал планируется использовать на экспериментальной установке «электронный нос», позволяющей быстро и надежно определять наличие вредных или опасных веществ в воздухе или другой газовой смеси. Функцию рецептора в установке выполняет нанесенный на мультиэлектродный чип материал на основе карбида вольфрама (W1,33C i-MXene), который изменяет электрические характеристики при контакте с молекулами газа.

«Нам удалось доказать повышение сопротивления W1.33C i-MXene при воздействии паров разных веществ, включая кетоны, спирты, ароматические соединения и влагу. При этом точность различения достигается благодаря одновременному считыванию показаний множества датчиков и применению методов искусственного интеллекта, обрабатывающих сигналы. Этот процесс похож на то, как головной мозг млекопитающих сортирует запахи», — рассказал один из авторов разработки, ведущий научный сотрудник НИЛ сенсоров и микросистем СГТУ, кандидат технических наук Илья Плугин.

Сверхчувствительный материал содержит слои из атомов металла и углерода толщиной в несколько атомов. Он получен методом селективного травления из объемных кристаллов. Ключевой особенностью является наличие в структуре максена пустот на атомных позициях металла. Именно благодаря им материал эффективнее захватывает молекулы на своей поверхности, улучшая способность реагировать на изменение состава атмосферы.

«Упорядоченные вакансии (пустоты) в структуре материала играют решающую роль. Они не только существенно увеличивают площадь активной поверхности, но и изменяют ее электронные свойства, облегчая взаимодействие с молекулами анализируемых газов», — пояснил участник исследования, доцент кафедры «Химия и химическая технология материалов» Физико-технического института СГТУ, кандидат химических наук Алексей Цыганов.

Этот подход позволяет целенаправленно настраивать свойства материала для решения конкретных задач в области сенсорики, катализа и накопления энергии, а также — добиться высокой чувствительности без необходимости нагрева сенсорного элемента, что кардинально снижает энергопотребление устройства.

Ученые полагают, что разработка открывает перспективы для создания нового поколения малогабаритных «умных» датчиков, которые будут потреблять минимум энергии, отличаться высокой чувствительностью и возможностью гибкой настройки под различные прикладные задачи. Их можно будет использовать в интернете вещей, системах мониторинга окружающей среды, в инфраструктурах «умного дома» и «умного города», а также в интеллектуальной электронике.

Разработка поддержана грантом Российского научного фонда.