В Сколтехе с помощью 3D-печати на чипе создан «электронный нос»

Исследователи Сколтеха совместно с коллегами из России и Германии разработали и напечатали на чипе «электронный нос» — мультисенсорный газовый датчик. Разработка служит подтверждением концепции создания недорогих чувствительных датчиков, которые могут использоваться в портативной электронике и здравоохранении.

Плата матрицы электронного носа из восьми датчиков. Источник: Sonia Freddi et al / Advanced Healthcare Materials

В условиях стремительного развития Интернета вещей (IoT) и современных методов медицинской диагностики растет и спрос на компактные, экономичные, энергосберегающие, но при этом достаточно чувствительные и селективные газоаналитические системы, такие как «электронный нос», которые могут применяться в неинвазивной диагностике заболеваний органов дыхательной системы человека, в частности хронической обструктивной болезни легких. С этой целью в Сколтехе разработана компактная сенсорная система с датчиками, способными распознавать компоненты сложных газовых смесей и работающими практически по тому же принципу, что и нос человека. 

Один из способов создания «электронного носа» основан на использовании технологий аддитивного производства, позволяющих создавать сложнейшие устройства. Первоначальная идея проекта принадлежит исследователям Сколтеха: старший научный сотрудник Федор Федоров, профессор Альберт Насибулин, научный сотрудник Дмитрий Рупасов и их коллеги разработали мультисенсорный «электронный нос». Используя технику 3D-печати, они нанесли на чип с несколькими подключенными электродами нанокристаллические пленки из оксидов восьми металлов — марганца, церия, циркония, цинка, хрома, кобальта, олова и титана.  

«В нашей работе мы использовали микроплоттерную печать чернилами на основе истинных растворов, которые далее были трансформированы в оксиды. Полученные результаты представляют ценность с нескольких точек зрения. Во-первых, разрешение печати сравнимо с расстоянием между электродами на чипе, который был оптимизирован для повышения удобства измерений. Таким образом мы продемонстрировали совместимость этих технологий. Во-вторых, нам удалось использовать оксиды различных металлов, что позволило получить более ортогональный сигнал от чипа и тем самым повысить селективность датчика. Можно также предположить, что эта технология обладает воспроизводимостью и может быть легко внедрена в промышленность для изготовления чипов с аналогичными характеристиками, что действительно важно для производства датчиков типа «электронный нос»», — рассказывает Федор Федоров.

В ходе экспериментов показано, что «электронный нос» способен улавливать разницу между пара́ми различных спиртов — метанола, этанола, изопропанола и н-бутанола, которые очень схожи по химическому составу и при низких концентрациях в воздухе трудно различимы. Кроме того, обнаружение высокотоксичного метанола в напитках и выявление различий между метанолом и этанолом имеет важное значение с точки зрения охраны здоровья и жизни людей.  

Обработка данных выполнялась методом линейного дискриминантного анализа (LDA) с использованием алгоритма распознавания образов, однако, это не исключает возможность применения для этой цели и других алгоритмов машинного обучения. 

Хотя пока устройство работает при относительно высоких температурах от 200 до 400°С, исследователи полагают, что повысить чувствительность и обеспечить работу датчиков при комнатной температуре можно, используя новые квазидвумерные материалы, в частности MXenes, графен и другие. Ученые планируют продолжить работу в этом направлении и, в частности, оптимизировать материалы, используемые для снижения энергопотребления. 

Исследование проводилось с участием специалистов Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН, Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Гагарина, Технологического института Карлсруэ (Германия), Московского физико-технического института (МФТИ) и компании Breitmeier Messtechnik GmbH (Германия). 

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials Interfaces. 

Сколтех — негосударственный международный университет, созданный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT). Сколтех готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит исследования в прорывных областях и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех развивает шесть приоритетов: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и здоровье, современные методы проектирования и перспективные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии, перспективные исследования. Усилия Сколтеха призваны способствовать укреплению технологического превосходства России в приоритетных направлениях. 

Пресс-релиз

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.