Лазерная обработка металлоорганических каркасов позволяет создавать функциональные композиты для гибких датчиков

Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета разработали совместно с китайскими коллегами технологию создания материалов для гибких и долговечных функциональных датчиков на основе металлоорганических каркасов (MOF). Методика основана на применении 3D-печати и лазерной обработки каркасов с преобразованием последних в люминесцентные наноуглероды. Полученный композит продемонстрировал хорошие эксплуатационные характеристики в качестве гибких электродов для датчиков температуры и изгиба с высокой механической прочностью.

Создание мультифункциональных гибких датчиков, таких как датчики температуры и давления, открывает широкие перспективы для применения в различных сферах — от транспорта и энергетики до медицины. В часто используемых датчиках, где регистрируется электрический сигнал, зачастую сложно зафиксировать изменения, связанные с температурой, давлением или деформацией. Ученые ТПУ обнаружили, что лазерная обработка металлоорганических каркасов позволяет повышать сигнал люминесценции до семидесяти раз, сообщает пресс-служба вуза. Используя сигнал люминесценции для измерения температуры, можно отличать изменение температуры и деформацию сенсора.

На сегодняшний день существуют несколько методов увеличения люминесценции MOF, однако они затратны по времени и подразумевают сложные этапы синтеза. Предложенный учеными Томского политеха способ изменения люминесцентных свойств материалов прост в применении: он трансформирует MOF, содержащий цинк и органические лиганды, в высоколюминесцентные N-легированные наноуглероды. Исследования выполнены коллективом научной группы ТERS-Team ТПУ под руководством профессора Евгении Шеремет и коллег из Шанхайского института керамики Китайской академии наук.

Ученые исследовали определенный тип MOF, называемый ZIF-8, и процессы, происходящие в результате лазерной обработки этого материала. Металлоорганические каркасы ZIF-8 состоят из цинка и органических молекул, которые самоорганизуются в кристаллические структуры. Они обладают такими полезными свойствами, как большая площадь поверхности, контролируемая пористость, широкий спектр комбинаций ионов металлов и органических лигандов. Ученые Томского политеха провели ряд экспериментов, направленных на установление влияния непрерывного лазерного излучения на свойства фотолюминесценции. Для этого металлоорганические каркасы наносились на разные подложки, после чего подвергались лазерному облучению с разной длительностью импульса.

Кристаллы ZIF-8

«Мы обнаружили интересный эффект: при облучении ZIF-8 лазером можно получить материал с очень интенсивной люминесценцией вне зависимости от подложки. Впервые это было сделано с помощью лазера. В ходе исследования процесса преобразования материала мы обнаружили, что он превратился в легированный азотом наноуглерод и наноструктуры оксида цинка. Кроме того, при использовании гибкой полиуретановой пленки, напечатанной на 3D-принтере, произошла интеграция углерода в подложку, что сделало материал электропроводящим и механически прочным для гибкой электроники», — рассказали исследователи.

Полученный композит сочетает биомеханическую податливость, чувствительность люминесценции к температуре, стойкость к многократным изгибам. Политехники также изучили возможность использования композита в датчиках температуры и деформации.

«Люминесценция оказалось чувствительной к температуре, а электрическое сопротивление — к деформации. При этом материал остается стабильным в течение десяти тысяч циклов сгиба, что подтверждает долговечность электродов. Этот подход может в дальнейшем использоваться для изготовления датчиков температуры и изгиба, где оба сигнала могут измеряться независимо», — рассказала руководительница проекта, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Евгения Шеремет.

Проект выполнен при грантовой поддержке Российского научного фонда и Государственного фонда естественных наук Китая, результаты опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.