Новая конструкция газового датчика удешевит мониторинг вредных веществ в воздухе
Ученые из Сколтеха спроектировали и испытали простой в изготовлении полупроводниковый химический сенсор с низкой себестоимостью и стоимостью одного измерения, способный за 40 секунд регистрировать наличие в воздухе вредных газов или информативных веществ. В исследовании показана 90-процентная точность обнаружения огнеопасного ацетона, а также токсичных сероводорода и двуокиси азота, но сенсор будет чувствителен и к другим газам, а точность можно повысить сделав два и более измерения подряд.
Описанное в журнале Sensors and Actuators B: Chemical устройство использует в качестве чувствительного элемента «ткань» из углеродных нанотрубок, подвешенную между двумя электродами. Это первый сенсор такой конструкции с использованием нанотрубок.
Применения такого рода сенсоров не ограничиваются оценкой качества воздуха на производстве или вблизи автодорог. Так, пациенты с диабетом первого типа выдыхают воздух с содержанием ацетона, по количеству которого можно понять, когда необходима инъекция инсулина. А по концентрации газов в парнике или в промышленном холодильнике можно оценить, насколько созрели фрукты и овощи или начало ли портиться мясо.
Газовые сенсоры на основе разных технологий занимают разные ниши. Полупроводниковые сенсоры наподобие того, что предложен в Сколтехе, хороши там, где нужен постоянный мониторинг (частые измерения). Это связано с их низким энергопотреблением и дешевизной в изготовлении и эксплуатации. Притом они очень 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.
Повышать «избирательность» полупроводниковых сенсоров можно подражая обонянию млекопитающих.
«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, — рассказывает первый автор исследования, стажер-исследователь и аспирант программы «Науки о материалах» Сколтеха Константин Заманский. — Ведь обоняние человека тоже устроено так, что рецепторы в эпителии реагируют на самые разные вещества. Но разные группы рецепторов реагируют на каждый запах по-своему. И по силе активации связанных с ними нейронов мозгу удается распознать, с каким запахом имеет дело нос».
Подобным образом, если одновременно использовать множество полупроводниковых сенсоров, каждый из которых будет играть роль одного «рецептора», при появлении некоторого газа вся система сенсоров («нос») сгенерирует многомерный отклик, и этот сигнал можно будет исследовать на предмет наличия нужного паттерна («запаха») методами машинного обучения («мозгом»). «Мы действуем несколько иначе и получаем многомерный сигнал от одного и того же сенсора, но при разных температурах», — уточняет Заманский.
Предложенная научной группой конструкция сенсора предполагает, что чувствительный материал — фрагмент ткани из одностенных углеродных нанотрубок — подвешен в воздухе между двумя электродами (они напыляются золотом на подложку из поликристаллического оксида алюминия). 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 °C до 125 °C.
Именно эти 400 значений и представляют паттерн запаха, который модель машинного обучения классифицирует как относящийся к одному из газов со средней точностью 90 процентов. Совпадение результатов в каждом последовательном цикле снижает вероятность ошибки примерно в 10 раз, повышая уверенность в результате до 99 процентов уже на второй минуте мониторинга (хотя это не строгий расчет). При этом стоимость одного такого измерения при детектировании, например, двуокиси азота оказывается ниже, чем у других сенсоров.
Использование фильтрации данных (для выделения базовой линии) позволило создателям сенсора не только интерпретировать его сигнал, но и учесть эффект так называемого старения устройства. Это явление проявляется в том, что при продолжительной эксплуатации отклик на те же газы при тех же условиях меняется. Именно поправка на эффект старения сенсора позволила вдвое снизить процент ошибок и тем самым довести точность измерений до 90 процентов. Проблема актуальна и для других полупроводниковых сенсоров, хотя не во всех работах учитывается — здесь же она успешно решена для интервала как минимум в 10 часов эксплуатации. Освещенное в пресс-релизе исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В эпоху искусственного интеллекта и стремительного развития технологий знание языка становится инструментальной компетенцией, а умение работать с учетом культурного контекста — стратегической. В День филолога, кандидат педагогических наук Екатерина Щавелева, заведующая кафедрой иностранных языков и коммуникативных технологий НИТУ МИСИС рассказывает, как гуманитарное образование приобретает новую ответственность и какое будущее у межкультурной коммуникации.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно