Пресс-центр
Последние события и самая актуальная информация о деятельности Фонда инфраструктурных и образовательных программ.
26 июля 2019

Сенсоры. Химик Сергей Пономаренко о назначениях сенсоров, их сферах применения и материалах для их изготовления

Как обнаружить взрывчатку? Как сенсоры позволяют измерять уровень загрязнения воды и воздуха? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Слово «сенсоры» (по-другому — «детекторы») происходит от английского слова sense — «чувство, чувствовать». У человека есть пять различных чувств: зрение, слух, обоняние, вкус и осязание. Люди всегда хотели использовать какие-то приборы, которые могут воспроизвести то, что человек чувствует, либо показать чувства в количественном эквиваленте. Мы чувствуем все качественно (например, холодно — жарко), а можно вместо этого использовать термометр, который покажет конкретную температуру. В зависимости от того, какую характеристику мы измеряем, используют различные виды сенсоров. Одним из первых появился сенсор температуры. В нем используется простое свойство, которым обладает каждый материал, — это расширение тел под действием температуры. При этом были выбраны наиболее удобные вещества. Скажем, в термометрах используется ртуть или подкрашенный спирт, расширяющиеся при повышении температуры, и поэтому мы видим ее изменение уже количественно.

Кроме тех чувств, которые человек испытывает, всегда хотелось видеть что-то невидимое — скажем, рентгеновские лучи или космические частицы, элементарные частицы. Тогда используют другой вид сенсоров, преобразующий, например, излучение невидимого диапазона в видимый. Или частицы взаимодействуют с веществом, и в результате получаются видимые фотоны, которые мы и фиксируем.

Говоря о сенсорах, можно выделить их различные варианты, соответствующие тем чувствам, которые есть у человека. При этом какие-то из сенсоров уже достаточно хорошо разработаны и используются. Например, если говорить о зрении, то у нас сейчас активно используются датчики в камерах — это светочувствительные элементы, преобразующие фотоны в электрический сигнал, который затем преобразуется электроникой.

Что касается других органов чувств, то здесь сенсоры развиты меньше. Например, электронный нос — это сенсоры, которые чувствуют различные газы. Таких сенсоров придумано очень много. Мы сейчас можем определять газы в разной концентрации с помощью приборов. Но при этом зачастую они достаточно большие или работают при высоких температурах. Поэтому сейчас разрабатываются различные подходы для сенсоров газа, имеющих максимальную чувствительность, меньшие размеры и должны работать при комнатной температуре.

Также можно выделить газовые сенсоры. В настоящее время разработаны сенсоры на различных принципах. Как правило, это полупроводниковые вещества, которые взаимодействуют с теми или иными молекулами и меняют их характеристики. Задача хорошего сенсора — определить концентрацию определенного аналита в минимальной концентрации. Близкая задача лежит в детекции различных жидкостей, которая нужна для того, чтобы определять концентрации, например, биологических молекул в нашей крови или моче, чтобы делать экспресс-анализ. Последние результаты показывают, что можно детектировать молекулы до фемтомолярной концентрации. Фемто — это 10–15, то есть это одна молекула на стакан воды. Для многих заболеваний характерно появление новых молекул в небольших концентрациях. И именно их детектирование может позволить определить заболевание на начальных стадиях.

Современные тенденции заключаются в том, чтобы детектировать молекулы в минимальных концентрациях — например, в концентрации в миллиардных частях. Это нужно для того, чтобы определять различные заболевания. Известно, что, когда человек заболевает, у него в дыхательных путях и легких появляются малейшие концентрации газов — скажем, оксида азота, аммиака или ацетиленида. Есть работы, которые показывают, что, анализируя выдыхаемый человеком воздух, можно определить заболевание органов дыхания либо обнаружить первичные признаки появления рака.

Сенсорами могут служить любые вещества, изменяющие свои характеристики под воздействием внешних условий. Этими характеристиками может быть как объем, который используют в детектировании температуры, так и изменение электрических или оптических характеристик. Например, вещества могут менять свой цвет под воздействием аналитов, как правило газов. Либо у них может возгораться или тушиться люминесценция. Исходя из того, что с веществом происходит, эффект можно использовать для создания различных сенсоров. Например, газы можно детектировать люминесцентными методами: происходит тушение люминесценции в случае взаимодействия с аналитом. Один из способов детектирования микроколичества взрывчатого вещества — это взаимодействие динитротолуола с аналитом, люминесценция которого при этом тушится.

Для детектирования тех же веществ можно использовать совсем другие сенсоры, основанные на изменении электрических свойств. Здесь можно использовать либо самые простые сенсоры — это резисторы, направленные на измерение сопротивления, либо более сложные — транзисторы, у которых больше характеристик меняется под внешним воздействием. Если у вас есть несколько меняющихся характеристик, тогда можно перейти от создания индивидуального сенсора к созданию матриц сенсоров, которые бы детектировали различные аналиты. Анализируя все с помощью соответствующих программ, можно попытаться получать информацию о полном составе воздуха либо жидкости. Проблема создания единой матрицы сенсора заключается в том, что у каждого сенсора есть кроме его чувствительности ряд других характеристик, например селективность. Это означает, что один и тот же сенсор может давать сигнал на один аналит и на другой, но при этом сигнал будет разный.

Характерный пример селективности — это широко используемые сенсоры для детектирования нитратов в продуктах. Это достаточно дешевый прибор, потому что используется самый простой детектор, детектирующий сопротивление. Когда мы вставляем щуп в овощ или фрукт, он показывает, какое сопротивление, а потом пересчитывает и говорит, сколько там может быть нитратов. На самом деле этот сенсор не селективный: он не обнаруживает нитраты, а измеряет ток, протекающий в данной среде. У каждого овоща и фрукта есть свой солевой состав, и отсюда известен средний ток: если он превышен, то считается, что это превышение как раз обусловлено превышением нитратов. Дальше происходит пересчет лишнего тока на содержание нитратов. Если же мы хотим определить состав сложных смесей, то нужно использовать матрицы сенсоров, которые дают разный сигнал на разные аналиты.

Поговорим о перспективах развития сенсорной тематики. Мое мнение заключается в том, что люди хотят использовать как можно больше сенсоров в их повседневной жизни. И одно из устройств, которое использует большинство новейших достижений высоких технологий, — это наш смартфон. Сегодня он имеет всего два «органа чувств»: динамик, позволяющий определять звуковые волны, и камеру, которая позволяет определять световые излучения, свет, изображения. Хотелось бы, чтобы его функции были расширены, и тогда он бы мог определять, например, чистоту окружающего нас воздуха и чистоту продуктов, которые мы используем. Тогда ему нужно добавить еще две функции: электронный нос и электронный язык. Поэтому общая тенденция развития новых сенсоров заключается в том, чтобы создавать их все более миниатюрными.

Еще одно перспективное применение сенсора — робототехника. Сейчас создаются роботы, напоминающие человека, поэтому им нужно использовать какие-то органы чувств, приближенные к органам человека. В дополнение к существующим уже камерам и динамикам необходимо создать и органы, измеряющие давление, чтобы робот мог аккуратно брать рукой предмет. В таких перспективных применениях требуются миниатюрные сенсоры, работающие при комнатной температуре. Их можно создавать на основе различных материалов. Сейчас активно разрабатывают такие материалы, как графен и нанотрубки. Также используют материалы из органической электроники, которая обладает полупроводниковыми свойствами, но при этом гибкая и чувствительная к различным воздействиям.

Для экстремальных условий созданы датчики, работающие при высоком давлении, при высоких температурах, в условиях космической радиации. Для таких датчиков органические материалы, скорее всего, не подходят. Здесь используют неорганические материалы, потому что если датчик работает при высоких температурах, то, соответственно, должен быть материал, который выдерживает их.

Отдельная сфера — это датчики для невидимого излучения. Интересно, что во многих случаях датчиками могут служить совершенно обычные вещества, например вода. Вода — это тоже своего рода датчик, она может взаимодействовать с приходящими из космоса излучениями. Есть целые лаборатории, которые сооружают на воде или во льдах, где выстраивают много датчиков фотонного излучения. Изначально вода поглощает эти элементарные частицы, и там появляются фотоны, а потом их детектируют с помощью стандартных детекторов фотонов. В качестве такой воды-датчика используют океанскую воду либо воду Байкала, чистую воду.

Вопрос о материалах для датчиков достаточно комплексный, к нему можно подойти с двух сторон. Прежде всего, в рамках фундаментальных исследований можно создать новый материал и исследовать его свойства, и если вдруг обнаружилось, что у него есть необычное воздействие, то тогда из него создают сенсор. Либо, наоборот, требование идет от заказчика: нужен сенсор, чтобы он детектировал при конкретных температурах. Тогда уже смотрят, какой материал здесь подходит, чтобы он был стабилен при этих условиях и давал отклик. Универсального материала, например, для газовых или температурных сенсоров не существует.

В то же время в разных областях используют разные материалы. Скажем, есть неорганические сенсоры на те же газы, которые детектируют и органические сенсоры, но у них разные условия работы. Неорганические работают при высоких температурах, а органические, наоборот, при комнатных. Иногда делают комбинацию, чтобы сенсор был селективным. Тогда дополнительно к чувствительному элементу зачастую добавляют рецептор — материал, селективно взаимодействующий с аналитом. Он изменяет свои свойства, и потом уже измененное свойство детектируется. В реальности отбирают наилучшие материалы, у которых наибольший отклик, при этом они еще наиболее дешевы, чтобы это можно было использовать.

Источник: Постнаука
Опубликовано: 25 июля 2019
Автор: Сергей Пономаренко, д.х.н., член-корреспондент РАН, директор ИСПМ РАН