Nanomechanische gassensorarrays: een stap in de richting van slimmer, veiligere voedsel en omgevingen

Stel je voor dat je je keuken binnenloopt en meteen weet of de vissen die je gisteren hebt gekocht nog vers is – of een industriële site binnengaat met sensoren die je onmiddellijk waarschuwen voor gevaarlijke gaslekken. Dit is geen sciencefiction-het is de belofte achter onze nieuw ontwikkelde nanomechanische sensorarray, een krachtig hulpmiddel dat we hebben gemaakt om complexe gassen in realtime te detecteren en te analyseren.

In onze recente studie gepubliceerd in Microsystems & nanoengineeringwe introduceren een geminiaturiseerde reeks silicium- en polymeer-gebaseerde sensoren die in staat zijn om verschillende gassen snel en nauwkeurig te detecteren.

Deze array maakt gebruik van een eenvoudig maar ingenieus principe: wanneer gasmoleculen de sensor binnenkomen, diffunderen ze in specifieke polymeren, waardoor ze iets opzwellen. Deze zwelling genereert mechanische stress gedetecteerd door kleine piëzoresistieve sensoren ingebed in silicium. Het is alsof je een spons ziet uitbreiden terwijl het water absorbeert – maar op een microscopische schaal, met de expansie elektrisch gemeten om gassen te detecteren en te identificeren.

We hebben zorgvuldig voor vier verschillende polymeren gekozen – polyolefine, fluorocarbon, acrylhars en amino -polymeer – elk met verschillende chemische eigenschappen, waardoor onze sensoren een breed spectrum van gassen kunnen detecteren, variërend van waterdamp en ethanol tot complexe organische dampen.

Waarom vier verschillende polymeren? Denk aan elk polymeer als zijn unieke reukvermogen, afgestemd om specifieke moleculen op te pakken. Samen vormen ze een robuuste array die meerdere gassen tegelijkertijd identificeert.

Tijdens onze tests hebben we deze sensoren blootgesteld aan verschillende gasmengsels, waardoor real-life scenario’s zoals vochtschommelingen, ethanoldampen of zelfs mengsels lijken op hand die alcohol lijken. Opmerkelijk is dat elk polymeer anders reageerde, waardoor een uniek signaalpatroon of “vingerafdruk” werd gecreëerd voor elk gas- of gasmengsel.

Door de belangrijkste componentanalyse toe te passen, een statistische techniek, onderscheiden we met succes tussen verschillende gassen en zelfs hun verschillende concentraties, het bereiken van indrukwekkende gevoeligheid en selectiviteit.

Maar het detecteren van gassen gaat niet alleen over laboratoriumprecisie – het heeft praktische, alledaagse toepassingen. Om dit aan te tonen, hebben we de frisheid van makreelfilets gedurende zeven dagen gevolgd met behulp van onze sensorreeks.

Terwijl de vis geleidelijk verwend was, liet de microbiële activiteit onderscheidende gassen vrij. Onze sensoren hebben deze veranderingen nauwkeurig gevolgd en nauwkeurige informatie over frisheid en bederfprogressie geboden. Dit soort realtime monitoring kan de voedselveiligheid aanzienlijk verbeteren, afval verminderen en de opslagomstandigheden optimaliseren.

Naast voedselveiligheid hebben deze sensorarrays een enorm potentieel in verschillende industrieën – van gezondheidszorg, waar het analyseren van menselijke adem kan leiden tot eerdere ziektedetectie, tot milieumonitoring, waar snelle identificatie van gevaarlijke gassen gemeenschappen kan beschermen met slechts één sensorreeks.

Wat me het meest boeit aan deze innovatie is de eenvoud en het potentieel voor integratie in het dagelijks leven. In tegenstelling tot conventionele omvangrijke gasdetectiesystemen, is onze nanomechanische sensorarray compact, zeer gevoelig en ongelooflijk efficiënt en biedt ze in slechts enkele seconden betrouwbare resultaten.

Dit verhaal maakt deel uit van Science x dialoogvensterwaar onderzoekers bevindingen kunnen rapporteren uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen. Bezoek deze pagina Voor informatie over het dialoogvenster Wetenschap X en hoe u kunt deelnemen.