В Сколтехе спроектировали и испытали полупроводниковый сенсор, который за 40 секунд (!) регистрирует наличие в воздухе вредных газов. Устройство использует в качестве чувствительного элемента «ткань» из углеродных нанотрубок, подвешенную между двумя электродами. Сенсор обнаруживает сероводород, двуокись азота и огнеопасный ацетон с точностью в 90%; может быть чувствителен и к другим газам, а точность ещё можно повысить, сделав два и более измерения подряд.

Применения такого рода сенсоров не ограничиваются оценкой качества воздуха на производстве или вблизи автодорог. Так, пациенты с диабетом 1-го типа выдыхают воздух с содержанием ацетона, по количеству которого можно сориентироваться, когда необходима инъекция инсулина. А по концентрации газов в парнике или в промышленном холодильнике реально оценить, насколько созрели фрукты и овощи или начало ли портиться мясо.

Газовые сенсоры на основе разных технологий занимают разные ниши. Полупроводниковые сенсоры Сколтеха эффективны там, где нужен постоянный мониторинг. Это связано с их низким энергопотреблением и дешевизной в изготовлении и эксплуатации. Притом они чувствительны, но здесь кроется и недостаток: из-за того, что эти устройства чутко реагируют на присутствие в воздухе многих разных веществ, возникает вопрос, как получить информацию о содержании конкретного соединения. Повысить избираемость сенсоров можно за счет подражания обонянию человека.

«Электрическое сопротивление чувствительного материала, в нашем случае — ткани из углеродных нанотрубок, меняется в ответ на присутствие многих газов. Но оно может меняться по-разному в ответ на разные газы в разных концентрациях, и здесь кроется технологическая возможность. Ведь обоняние человека тоже устроено так, что рецепторы в эпителии реагируют на многообразные вещества. Но все группы рецепторов реагируют на каждый запах по-своему. И по силе активации связанных с ними нейронов мозгу удаётся распознать, с каким запахом имеет дело нос», – говорит один из авторов исследования.

По тому же принципу можно одновременно использовать несколько полупроводниковых сенсоров, каждый из которых будет реагировать на тот или иной тип газа. Это своего рода «искусственный» нос, который может реагировать на наличие смеси газов в воздухе. Ученые Сколтеха сделали в этом направлении шаг вперед, сумев получить многомерный сигнал от одного и того же сенсора, но при этом в широком температурном диапазоне.

Разработчики создали датчик, в котором чувствительный материал – фрагмент ткани из одностенных углеродных нанотрубок – подвешен между двумя электродами. Такое решение позволяет почти мгновенно нагревать или охлаждать сенсор до заданной температуры: за 40 секунд прибор успевает измерить сопротивление сенсора при 400 различных температурах в диапазоне от 25° до 125°. Эти 400 значений представляют паттерн запаха, который распознается с точностью в 90% с помощью ИИ.

Таким образом, разработка Сколтеха позволяет использовать всего один датчик для фиксации сразу нескольких разных газов. Поэтому результаты исследования позволят удешевить обнаружение вредных примесей.