разработан детектор, способный улавливать мельчайшие концентрации в воздухе диоксида азота

Графен не оставит террористам шансов

Ученые разработали детектор, способный улавливать мельчайшие концентрации в воздухе диоксида азота и аммиака. Это позволит обнаруживать взрывчатые вещества даже в тех ситуациях, когда они надежно спрятаны или упакованы. Интересно, что сделан этот сенсор на основе графена. Данный материал вновь продемонстрировал свои удивительные возможности.

Фото:

В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов начали изучение свойств графена — материала, представляющего собой углеродную пластинку, толщина которой равнялась толщине одного атома этого элемента. В прошлом году, как мы помним, за эти исследования они даже получили Нобелевскую премию. Тогда про графен много говорили, но потом все обсуждения свойств и возможностей этого чудо-материала постепенно сошли на нет.

Неужели физики и инженеры потеряли к графену всякий интерес? Вовсе нет, сейчас активно идут эксперименты, которые выясняют возможности применения этого материала в различных технических областях. Кстати, уже созданы графеновые транзисторы, проводится последние их испытания. А "родители" данного материала, Гейм и Новоселов, изучают фотоэлектрические свойства графена для того, чтобы сконструировать фотоэлемент на основе углеродного монослоя.

И вот недавно было выяснено, что графен можно использовать в качестве детектора взрывчатки. Это исследование, проведенное совместно группой исследователей под руководством Нихила Кораткара из Политехнического института Ренсселира (США) и коллективом китайских физиков под руководством Хуэй Мин Чэна из Шэньянской национальной лаборатории материаловедения при Академии Наук КНР выявило весьма неожиданные возможности данного материала. Ученые утверждают, что графеновый детектор обладает куда большей чувствительностью, нежели все существующие на данный момент.

Большинство сенсоров, которые нацелены на то, чтобы распознать скрытую взрывчатку, нацелены на обнаружение веществ — аммиака и диоксида азота. Дело в том, что любое взрывчатое вещество, от нитроглицерина до гексогена, обязательно содержит разнообразные соединения азота, в том числе и вышеуказанные. Но они, будучи весьма летучими, постоянно просачиваются через любые упаковки смертоносных зарядов во внешнюю среду, и, следовательно, их можно уловить (кстати, собак, распознающих взрывчатые вещества, учат распознавать именно аммиак).

Проблема состоит в том, что при обычных условиях данные вещества выделяются в минимальных количествах. А если взрывчатка еще к тому же хорошо упакована, то тогда молекул в окружающем ее воздухе становится настолько мало, что и чувствительный нос собаки не всегда сможет обнаружить их. Кроме того, поверхности детекторов, находящихся не в идеально чистой лаборатории, а на реальных вокзалах, аэропортах и пунктах таможенного контроля, где много пыли, быстро загрязняются, и их чувствительность падает.

По мнению разработчиков нового детектора, графеновый прибор может справиться со всеми этими проблемами. Кстати, принцип его работы следующий — как мы помним,графен способен проводить электрический ток. Следовательно, всегда можно измерить его сопротивление. Так вот, ученые начали с того, что выяснили, как оно меняется при попадании в графен молекул других веществ (а подобное попадание — обычное явление, графен исходно является весьма хорошим адсорбирующим материалом).

Далее ученые изготовили опытный образец — графеновую пластинку величиной с почтовую марку. Она была сделана на никелевой подложке (этот метод сейчас является одним из самых распространенных). Когда углеродный монослой был, наконец, получен, подложку убрали, а пластинку стали помещать в емкости, где присутствовал аммиак в различных концентрациях.

Как и ожидалось, частички газа начали "застревать" в проводящем ток сенсоре, меняя его электрическое сопротивление. Серия опытов показала, что графеновый детектор способен "узнать" аммиак при его концентрации в 1000 частиц на миллион (то есть 1000 молекул аммиака на миллион условных "частей" воздуха, которые рассчитываются исходя из его общего объема). Причем сопротивление менялось на 30 процентов в течение 5-10 минут при комнатной температуре и атмосферном давлении. Для сравнения: обычные полимерные детекторы требуют концентрации не менее 10 000 частиц на миллион и часто — куда более высоких температур.

Интересно, что когда концентрацию аммиака снизили до 20 частиц на миллион, то устройство все равно сохранило свою работоспособность! Это абсолютный рекорд — при таких концентрациях взрывчатку даже нос собаки обнаружить не может. Такие же результаты были получены и для диоксида азота — графеновый сенсор распознавал его и в том случае, когда в воздухе была его двадцатимиллионнная доля. И сопротивление в этом случае менялось примерно на 25 процентов — то есть, получается, что детектор спокойно узнает различные азотистые вещества.

Итак, как видите, с чувствительностью у графенового сенсора никаких проблем не наблюдается. И очищать его оказалось достаточно просто — для повторного использования через пластинку нужно было просто пропустить ток силой в 100 мА. Под его действием газы выходили из углеродного слоя, и детектор вновь мог "приступить к работе".

Ученые считают, что в принципе графеновые детекторы можно настроить на определение присутствия в воздухе любых летучих веществ. Сейчас они пытаются составить шкалу изменения сопротивления, помещая пластинку в среду с самыми различными газами. По их словам, такая шкала расширит область применения графенового детектора — с его помощью можно будет исследовать степень загрязненности окружающей среды, определять наличие вредных веществ в помещении и многое другое.

Как видите, графен до сих пор продолжает интересовать ученых, инженеров и технологов. И их работы с каждым днем приближают наступление "эры графеновой электроники", неизбежность которой была предсказана еще Геймом и Новоселовым…

Читайте также в рубрике "Наука и техника"